英语原文共 11 页
用乙醇-柴油混合物作为燃料的PCCI发动机的燃烧，性能和排放特性的动力学建模和实验研究
Aly M. Elzahaby,Medhat Elkelawy,Hagar Alm-Eldin Bastawissi,Saad Mostafa El_Malla,Abdel Moneim M.Naceb
摘要
预混合充量压缩点火（PCCI）发动机的燃烧过程基本上受到气缸充电混合物组分的限制。而且，带电混合物的均匀性决定了在燃烧的第一阶段中建立自燃过程的化学反应的质量和过程。在目前的工作中，发动机实验装置对原有的燃油系统装置进行了新的改进，以使柴油/乙醇在不同的混合比下与增压空气完美混合。获得的实验室结果用于验证PCCI发动机点火的模拟数据，使用详细的动力学反应机制进行预测。所述PCCI发动机以不同体积百分比的乙醇和柴油混合物为燃料，对PCCI发动机的自燃时间和燃烧特性进行了仿真研究。所得结果表明，乙醇/柴油燃料混合物中乙醇的预混比可用于控制发动机在不同空气/燃料比下的自燃时间和燃烧特性。同时，本研究的主要途径是建立发动机运行参数对PCCI发动机性能、燃烧和排放特性的影响，这些参数包括预混比、燃油-空气当量比。通过乙醇-柴油燃料混合物在0,10,20,30,40和50％（按量）的不同预混比下的缸内压力，温度和气相热释放的模拟结果数据来研究和追踪这些影响。
关键词：
PCCI发动机 柴油/乙醇混合物 化学动力学机理 发动机排放控制 零维模型
1.引言
PCCI燃烧过程综合了火花点火（SI）发动机和直接压缩点火（CIDI）发动机的优点。在PCCI燃烧过程中，燃料和氧化剂的均匀混合物被压缩，直到在发动机汽缸中发生自燃。在这种状态下，空气/燃料混合物的温度和压力达到燃料自燃条件，因此在没有外部点火装置（例如：火花塞或喷油器）的情况下持续发生自动点火，在整个燃烧室中的各个点同时发生自燃。PCCI发动机的燃烧规律是在贫油条件下工作，燃烧和燃烧过程由反应动力学及其对混合物行为的响应速率控制。这样，当与普通柴油发动机区分时，PCCI发动机对自动点火正时和可燃混合气的消耗率的控制更为困难。
混合气的反应性和它们的自燃是影响PCCI燃烧性能的重要参数。随后，通过调节燃烧室温度，压力和燃料化学成分来影响PCCI的点火。PCCI点火过程可以提高发动机热效率并减少氮氧化物（NOx）、烟尘排放。然而，将PCCI应用于商业用途之前存在许多困难，例如，由于没有点火控制仪器导致控制燃烧开始的方法出现了问题。出于这个原因，PCCI发动机的工作能力受到了限制。利用一些技术来实现空气/燃料混合物自动点火控制并消除PCCI的阻碍，例如，加热进气、扩大压力比以及利用多燃料方法改变电荷反应性。然而，燃料适应性构成了PCCI燃烧过程最重要的标准。许多类型的研究都集中在各种燃料物理和复合性能对缸内燃烧过程的影响。各种燃料的使用，使我们有可能扩大PCCI的工作范围，控制PCCI的点火阶段。使用不同种类燃料的基本思路是，不同燃料的使用对自燃过程有不同的影响，例如柴油和乙醇。柴油是柴油/乙醇自燃过程中的主要燃料，并且乙醇的存在会导致整个混合物的燃烧过程减慢，这导致更高的热释放率并提高发动机的工作范围。在本次试验中，采用不同比例的乙醇燃料和柴油的混合物来评价PCCI发动机在不同工况下的性能。
乙醇被视为解决未来能源问题的替代燃料之一。乙醇是一种可再生燃料，可以通过熟化蔬菜和农产品（例如玉米，糖棒和甜菜）中的糖来产生。乙醇含有2个碳分子，其化学式（）中含有氧。此外，乙醇的十六烷值[CN]较低，这降低了以乙醇和柴油混合物为燃料的PCCI发动机的爆震等级。降低CN会导致更高的点火延迟，并且阻碍燃烧开始。除了乙醇燃料的较低反应性和较差蒸发性之外，较高的自燃能力解决了PCCI发动机中柴油燃料效率较低和不稳定性较低的问题。从20世纪70年代开始，就对柴油机燃用乙醇燃料的情况进行了考察,主要检查集中在减少废气中烟尘和颗粒物。在PCCI发动机的应用中使用乙醇作为燃料的效果已经证实，乙醇作为汽油燃料替代品是一个不错的选择。
在我们的评估中，PCCI发动机使用不同剂量比的柴油和乙醇燃料混合物。在仿真程序中，正庚烷被用作柴油的代用品。正庚烷是一种较重的链烷烃（超过4个碳结构），与柴油燃料相比具有更高的十六烷值。因此经常被用作柴油燃料的自动点火替代品，并且可以有效地用于PCCI发动机的模拟研究。正庚烷（用于模拟研究）、商用柴油（用于实验研究）和乙醇燃料（用作实验和模拟工作的添加剂）的燃料特性列于表1中。
表格1
正庚烷和乙醇燃料的性质
|
性质 |
正庚烷 |
柴油 |
乙醇 |
|
|
1 |
化学式 |
|
|
|
|
2 |
密度（Kg/) |
685 |
840 |
790 |
|
3 |
十六烷值 |
59 |
55.6 |
11 |
|
4 |
低热值（kJ/kg） |
42510 |
42743 |
28865 |
|
5 |
自燃温度（℃） |
287 |
254 |
357 |
|
6 |
沸点（℃） |
98.4 |
190-280 |
78.4 |
|
7 |
当量空燃比 |
15.18 |
14.7 |
9 |
|
8 |
碳氢比 |
0.43 |
0.5 |
0.25 |
|
9 |
汽化潜热(MJ/kg) |
0.17 |
0.27 |
1.11 |
|
10 |
着火点（℃） |
43 |
52 |
11 |
|
11 |
25℃下运动粘度（㎜/s） |
2.38 |
2.5 |
75 |
这项工作的指导原则是用数值和实验方法研究不同载荷和预混合比例下的乙醇和柴油（正庚烷用于数值计算）的混合物中乙醇用量对PCCI发动机燃烧的影响。在这项工作中，考虑了发动机工作参数（包括预混部分和燃料空气当量比）对PCCI发动机燃烧特性的影响。此外，为了提高不同燃料混合物的均匀性，采用了一种新的燃料系统。实验结果用于验证单区化学动力学模型，其可用于预测PCCI发动机燃烧行为。然而，通过对0、10、20、30、40和50%（按体积计）乙醇-柴油混合物不同预混比例下室内压力、温度和热释放的再现结果信息，计算并跟踪了不同混合物的影响。为了评价不同比例的乙醇-柴油混合燃料对PCCI发动机性能和排放特性的影响，对PCCI发动机进行了试验研究。
2.实验步骤和装置
PCCI发动机实验是在四冲程，自然吸气和风冷单缸商用柴油发动机上进行的。在额定速度（1500 RPM）下，发动机输出功率大约为6KW。实验设备用不同的辅助仪器，以监测主发动机参数，例如功率，压力，扭矩，燃料消耗，进气温度，排气温度，机油和发动机缸体温度，以及废气排放。废气分析仪能够监测NOx，CO，HC和的浓度。发动机测定的概要如表2。
表2
测量发动机的规格
|
规格 |
数值 |
|
|
1 |
汽缸数 |
1 |
|
2 |
额定功率 |
6kW(1500转下8马力） |
|
3 |
喷嘴开启压力（bar） |
175-250 |
|
4 |
冷却方式 |
空冷 |
|
5 |
缸径-行程 |
87.5times;110 |
|
6 |
连杆至曲轴半径 |
3.714 |
|
7 |
调速器类型 |
机械离心式 |
|
8 |
排水量（㎝） |
825 |
|
9 |
循环 |
4冲程 |
|
10 |
发动机转速 |
1500 |
|
11 |
压缩比 |
17：1 |
|
12 |
进气门打开 |
上止点前32ordm; |
|
13 |
进气门关闭 |
上止点后95ordm; |
|
14 |
排气门打开 |
上止点后71ordm; |
|
15 |
排气门关闭 |
上止点前32ordm; |
图1a，b示出了测试台测量系统和建议的补充燃料系统。其中，图1a表示测试布局的示意图。该系统由两个油箱组成，由电动天平支撑，以精确测量燃油流量。发动机废气被迫在闭合的叶片中移动通过管道系统，以便在整个两个预混合的燃烧器中交换热能。每种燃料分别注入预热室内，通过控制排气流速，调节腔室以达到每种喷射燃料的蒸发温度。在发动机侧的进气歧管处以连续的形式产生燃料气溶胶。图1b表示所提出的燃料系统预热室，其具有柴油和乙醇燃料喷射器位置的详细部件。
|
1 测力计 |
2 发动机 |
3，4 乙醇柴油喷嘴预混合室 |
|
5 废气加热室 |
6 油气混合室 |
7 进气 |
|
8 排气 |
9 柴油罐 |
10，12 电子称 |
|
11 乙醇罐 |
13 柴油罐 |
14 量筒 |
|
15 高压泵 |
16 共轨喷射系统 |
17 柴油喷嘴 |
|
18 电动乙醇喷嘴 |
19 电动柴油喷嘴 |
20 进气压力传感器 |
|
21 编码器 |
22 上止点传感器 |
23 电荷放大器 |
|
24 数据采集系统 |
25 电脑 |
26 废气分析仪 |
图1a PCCI发动机实验装置的示意图
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资料编号：[3383]</t
|
1-进气歧管（发动机侧） |
10-乙醇热管 |
|
2-排气歧管 |
11-柴油热管 |
|
3，5-排期通路 |
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