双燃料发动机燃烧放热规律分析及燃烧特性研究_尧命发(精)

文章编号:1000-0909(200204-0312-********双燃料发动机燃烧放热规律分析及燃烧特性研究

尧命发1,段家修1,覃军2,许斯都1,付晓光1

(1.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072;2.广西玉柴机器股份有限公司,广西玉林537000

摘要:从热力学和内燃机燃烧的基本理论入手,推导了计算分析双燃料发动机缸内工质成分和热力学参数的计算关系式以及求解双燃料发动机燃烧放热规律的微分方程式,基于面向对象技术开发了双燃料

发动机燃烧放热规律计算软件。研究结果表明:用传统柴油机分析方法计算双燃料发动机的放热率峰值

偏小,所计算的缸内工质平均温度偏高,新模型计算的结果与实际情况更为吻合。该分析软件可以适用

于多种燃料发动机,是内燃机燃烧放热规律的通用计算软件。双燃料发动机燃烧特性研究表明:双燃料

发动机初始放热率比纯柴油大,若着火始点在上止点后,双燃料缸内最大爆发压力比纯柴油低,否则比

纯柴油高;控制双燃料发动机着火始点是控制缸内最大爆发压力和NO x排放的关键,双燃料发动机着

火始点应在上止点后,可以使发动机爆发压力和NO x排放比纯柴油低。

关键词:双燃料;燃烧;放热规律;燃烧特性

中图分类号:T K432文献标识码:A

引言

随着内燃机排放法规的日益严格和石油资源危机日益加剧,柴油-气体燃料双燃料发动机应用越来越广泛,柴油机双燃料发动机具有高效率、低排放的优势,但其燃烧特性与纯柴油不同,其燃烧过程是引燃柴油的喷雾扩散燃烧和缸内均质混合气的快速火焰传播过程共同作用。示功图测试分析是研究内燃机工作过程的重要工具,它可以揭示发动机燃烧的内在规律和特点,为开发高效清洁发动机提供有效的分析手段,被广泛应用于研究和产品开发过程中。迄今为止,还没有针对双燃料发动机示功图的分析手段,大都采用柴油机的分析方法。实践证明,这种分析方法和实际双燃料发动机有较大差别。传统的计算分析方法,如描述缸内工质内能的Just经验公式用于描述双燃料发动机燃烧过程将会导致较大的误差。本文从热力学和内燃机燃烧原理的基本理论入手,推导了用于分析计算双燃料发动机缸内工质成分、热力学参数及求解燃烧放热规律的微分方程式,在此基础上基于面向对象技术开发了相应的计算分析软件,并研究分析了双燃料发动机的燃烧放热规律以及双燃料发动机的燃烧特性。

1双燃料发动机放热率分析计算模型

目前,计算双燃料发动机的放热规律通常采用计算柴油机的放热规律程序来进行计算。计算程序中一般将气体燃料折算成等热值的柴油,这样忽略了气体燃料与柴油热物性之间的差异,从而引起较大的计算误差。实际上,一方面气体燃料是在进气行程进入缸内的,在压缩行程中缸内的工质与纯柴油有较大差别,另一方面气体燃料的摩尔质量远比柴油小,同样热值的气体燃料的摩尔数远比柴油大,同时气体燃料的热物性参数也和柴油相差较大。为了减小计算误差,有必要从发动机燃烧过程的基本理论入手来推导双燃料发动机放热规律的计算模型。

1.1模型的基本假设

(1发动机缸内的热力学过程满足零维假定,即缸内温度、压力和工质是均匀的;

(2柴油和气体燃料按等比例燃烧;

(3柴油和气体燃料完全燃烧,即缸内工质为气体燃料、空气、完全燃烧产物和残余废气等组成;

(4忽略缸内工质泄露,缸内工质总质量变化率即为柴油的燃烧速率。

1.2缸内工质计算

计算缸内工质时,首先需要求解出柴油和气体燃料组成的混合燃料完全燃烧产物混合气的组成及摩尔分数,并求出完全燃烧产物的摩尔质量。完全燃烧产物由CO2、H2O和N2组成,由于混合燃料中各元素组成发生了变化,因而双燃料完全燃烧产物中各成分的摩

第20卷(2002第4期内燃机学报

Transactions of CSICE

V ol.20(2002N o.4

收稿日期:2001-06-06;修订日期:2002-01-28。

作者简介:尧命发(1968-,男,博士,主要研究方向为内燃机燃烧过程及排放控制技术。

尔分数和摩尔质量也将发生变化。1kg 混合燃料各元

素组分的质量成分为

g i =g i 1 (1-y +g i 2 y

H u 1

H u 2

(1

式中:i 表示C,H,O 元素组分;g i 1,g i 2分别为柴油和气体燃料各元素的质量成分;H u1,H u2分别为柴油和气体燃料的热值;y 为气体燃料的替代率,其定义为

y =m q H u 2

m c H u 1+m q H u2

(2

式中:m c ,m q 分别为柴油和气体燃料单位时间消耗的质量,kg /h 。计算出混合燃料各元素组分后,可以根据完全燃烧化学反应方程式求解1kg 燃料完全燃烧后混合气的组成及摩尔分数、完全燃烧产物的摩尔质量以及完全燃烧产物的热力学参数。1.3双燃料发动机燃烧放热规律计算热力学模型由热力学第一定律[1],有

d(mu d h =-p d V d h +d Q w i d h +d Q f

d h

(3式中:m 为工质质量,kg;u 为比内能,J/kg;p 为缸内压力,Pa;V 为气缸容积,m 3;Q w i 为缸内工质与燃烧室壁热交换,对外传热为负,缸壁对工质传热为正,可选用Wo sch ni 传热公式进行计算,J ;Q f 为燃料的燃烧放热量,J 。根据假设,缸内工质由空气、气体燃料、完全燃烧产物和残余废气组成,可将式(3左边展开为

d(mu d h =m d u d h +u

d m

d h

=∑4

i =1

m i C Vi +d C Vi d T T d T

d h +

∑4

i =1

C

Vi

d m i

d h T (4式中:T 为缸内工质温度,K;C Vi 为缸内工质定容比热, J/(kmo l K,i =1,2,3,4,分别代表空气、气体燃料、

完全燃烧产物和残余废气。由气体状态方程,有:

d T d h =V d p d h +p d V d h m R -d m d h 1

m T

(5

式中:R 为气体常数,J/(kg K。

累计放热率可由下式求得:

x =∫

h