第6卷第1期汽車工程學報Vol 6 No I2016年1月Chinese journal of Automotive EngineeringJan.2016燃料特性對乙醇-正丁醇十四烷燃油霧化特性的影響分析胡鵬,王偉,琚雪明(奇瑞汽車股份有限公司動力總成技術中心,安徽,蕪湖241009)摘要:為探討燃料特性促進柴油機缸內(nèi)乙醇柴油霧化過程的影響機理,采用單組份十四烷代替實際多組分柴油,利用經(jīng)典KH模型和TAB模型數(shù)值分析燃料特性對乙醇一正丁醇一十四烷混合燃料初次和二次霧化的影響規(guī)律。結果表明,十四烷中摻混乙醇和正丁醇后初次霧化團塊液核半徑和破碎時間均降低,有助于燃油在噴油器油嘴附近撕裂,促進柴油機近噴嘴區(qū)燃油初次霧化;在相冋的條件下,乙醇柴油理化性質對二次霧化的影響很小;液滴半徑越小,破碎后 Sauter平均半徑和破碎時間對半徑増量敏感性越強,越容易發(fā)生二次霧化;良好初次霧化和液滴蒸發(fā)特性促進液滴二次霧化和液滴蒸發(fā)。關鍵詞:內(nèi)燃機;乙醇柴油:燃料特性;初次霧化;二次霧化中圖分類號:TK402文獻標識碼:ADOl:10.3969/jin.2095-14692016.01.07Influence of Fuel Properties on Atomization ofEthanol-n-butyl-n-tetradecane Blend FuelHu Peng, Wang Wei, Ju Xueming( Powertrain Technology Center, Chery Automobile Co, Ltd, Wuhu 241009, Anhui, China)Abstract: In order to investigate the effect of fuel properties on the atomization of ethanol-diesel blendedthe primary atomization of liquid jet and secondary atomization of droplet were calculated by Kelvin-Helmholtz instability(KH)model and taylor analogy breakup(TAB)Model, respectively. The diesel waseplaced by n-tetradecane in the model. The results indicate that the liquid core radius and breaking timeof the primary atomization of liquid jet of ethanol-diesel are reduced. Adding ethanol and n-butyl alcoholto n-tetradecane is beneficial to fuel spray atomization near the nozzle exit in diesel engine. Under the sameconditions, fuel properties have little effect on secondary atomization of droplet. For smaller radius ofdroplet, the sensitivity of the droplet radius and breaking time of secondary atomization to droplet radius isstronger, and it is easier to induce secondary atomization of droplet. Good primary atomization and dropletevaporation characteristic can promote the secondary atomization of droplets and droplet evaporationKeywords: internal combustion engine; ethanol-diesel; fuel property, primary atomization; secondaryatomization收稿日期:2015-08-15改稿日期:2015-11-16基金項目:江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃(CXZZ120675)中國煤化工參考文獻引用格式胡鵬,王偉,琚雪明燃料特性對乙醇一正丁醇-十四烷燃油霧化特性的影響分析門汽車工CNMHGHu Peng, Wang Wei, Ju Xueming. Influence of Fuel Properties on Atomization of Ethanol-n-butyl-n-tetradecane Blend Fuel [J]. Chinese Journal of AutomotiveEngineering,2016,6(1): 43-49(in Chinese044汽車工程學報第6卷隨著石油供需矛盾的不斷加劇,代用清潔燃料而是連續(xù)的射流。連續(xù)射流在缸內(nèi)各種動力和靜力的研究越來越受到重視。乙醇是一種可再生的清潔的作用下破裂,其破裂過程與單個油滴的破裂過程含氧燃料,借助助溶劑制備乙醇柴油,具有廣闊的有很大的區(qū)別。利用 Reize等建立的KH模型描述應用前景。隨著柴油機向著高效、清潔和低CO2排連續(xù)射流破碎過程9(圖1),油團半徑r和液放發(fā)展,需要深入了解多組分燃料乙醇柴油在缸內(nèi)霧流的破裂時間r由式(1)和式(2)計算。霧化燃燒行為的細節(jié),利用燃料的理化性質協(xié)同燃燒邊界優(yōu)化控制燃燒路徑,實現(xiàn)“油、氣、室”三者的優(yōu)化匹配。在柴油機和直噴式汽油機中,都是oo opoo o將燃油直接噴λ燃燒室內(nèi),液相燃油射流要經(jīng)歷破oRDooR碎和霧化、蒸發(fā)、與空氣混合直至燃燒。oL/D國內(nèi)外許多學者研究了乙醇柴油燃料理化特性n對內(nèi)燃機燃燒和排放的影響4,結果表明,柴油中摻混醇后,燃油霧化效果改善,油氣混合速率提高。上述研究結果是各種因素的綜合效果,筆者為了探明乙醇柴油燃油特性促進缸內(nèi)燃油霧化蒸發(fā)的圖1射流破裂KH模型根本原因,對燃油進入缸內(nèi)后的物理化學子過程進行逐步研究。首先研究正十二烷單液滴在含乙醇氛圖中:L為噴嘴孔長,cm;D為噴嘴直徑,R圍中的蒸發(fā)特性以及乙醇柴油液滴蒸發(fā)特性,為轉角半徑,cm:u為小油滴相對速度,cms;L1結果表明,空氣中含低質量分數(shù)乙醇蒸氣對十二烷為破裂長度,cm;F為初始油滴半徑,cm;為波長,單液滴蒸發(fā)沒有明顯影響,這說明乙醇柴油中優(yōu)先cm:;η為波高,cms蒸發(fā)出來的低質量分數(shù)的醇蒸氣(由于柴油機燃油r'=B0A。(1)質量占缸內(nèi)氣體質量分數(shù)很低)對柴油蒸氣擴散的3726B7傳質數(shù)沒有影響,同時乙醇柴油中由于摻混乙醇而顯著促進液滴蒸發(fā)。式中:B=061;A為對應于燃料表面 Kelvin-Helmholtz內(nèi)燃機燃油射流屬于噴霧流,在噴嘴附近存在波的波長,cm;r為破碎前的油團半徑,cm;g為絲狀和膜狀液流以及其進一步分裂的液滴群。由于初期形成的液流和液滴后期進一步分裂有相似性,Kelvin-Helmholtz波的頻率;B1為常數(shù),其值為40。因此本文在相同環(huán)境條件下研究燃料特性對單一液由式(1)和式(2)可知,作用在射流表面增長最快的擾動波波長A可反映液滴破碎后半徑規(guī)律,流油團和液滴破碎的影響規(guī)律。由于經(jīng)典的KH和液滴破碎后半徑與波長A成正比;Ω和A乘積反TAB模型的有效性已得到研究者驗證,因此利用其計算燃油連續(xù)射流初次霧化和液滴二次霧化過程映破碎時間,令P=9A,這樣破碎時間與Ps探討乙醇柴油燃料特性并對初次和二次霧化基礎問成正比。9和A的計算公式如式(3)。題進行研究,為后續(xù)研究乙醇柴油特性對燃油噴霧90(1+04520)(1+0470)流局部的平衡區(qū)渦團脈動,以及探明乙醇柴油燃油1+0:8572)特性促進缸內(nèi)燃油霧化蒸發(fā)的根本原因奠定基礎。(3)0.34+0.38形e151初次和二次霧化計算模型(1+1406)1or中國煤化工11初次霧化計算式中:下機CNMHG相;為液相表從噴嘴孔射出的燃油實際上并非離散的油滴,面正應力,Pa;P為液相表面密度,kgm3:p為液相第1期胡鵬等:燃料特性對乙醇一正丁醇一十四烷燃油霧化特性的影響分析表面動力粘度系數(shù),Pa·s。無量綱變量被定義為: Sauter平均半徑。z=We/Re、T=z√we、We=pr/o、和He2=toup22r/和Re=urp/μ。12液滴二次霧化計算r32(8)直徑為d的液滴以速度u在速度為u2的氣流中相對運動時,其受力分析如圖2所示y(0=n+exp12/cos(ar)+We/12x當?shù)貏覲g2r04pr210006090120150180()801.(10)→表面張力),r t一氣動壓力13混合燃料物性參數(shù)計算圖2單液滴受力分析研究燃料特性對連續(xù)射流初次霧化和液滴二液滴一半對另一半的吸引力為次霧化的影響分析,涉及十四烷、乙醇和正丁醇在由于氣流作用在球面上的壓力分布,他多54)370K和500時的密度、表面張力和動力粘度系數(shù),f =tdo滴在記十四烷、乙醇和丁醇分別為組分1、組分2和組垂直于氣流方向上拉開的力正比于氣動壓力及液滴分3。本文根據(jù)文獻[6]和[10],獲得三種燃料的的迎風面積:密度、表面張力和動力粘度系數(shù),見表1和表2。=k025d2×052(2±n)表1燃料溫度為370K時的物性參數(shù)物性參數(shù)乙醇正丁醇式中:d為直徑,m;o為表面張力系數(shù),Nm;P密度p(kg,m)707.51722.78為氣流密度,kg/m3;k為系數(shù);u2和u分別為液滴表面張力可(N,m)196×102172×102178×102和氣流速度,m/s動力粘度系數(shù)(Pas)714×1043.18×10588×10由于蒸發(fā)和氣流阻力的作用,上式中的d和u1表2燃料溫度為500K時的物性參數(shù)是隨時間改變的,因此,為處理數(shù)據(jù)方便,以初始物性參數(shù)十四烷乙醇正丁醇直徑d和氣流速度v2來表示氣流與液滴的相對速密度p(kgmy606.970.58570.65度。液滴變形的條件為表面張力a/(N·m2)1.05×1022.18×103644×10動力粘度系數(shù)(Pa·s)2.41×104649×103123×104P(6)混合燃料中十四烷、乙醇和正丁醇的質量分數(shù)式(6)左邊的物理意義為氣動力與表面張力分別為y1、y2和y,對應的密度分別P1、P2和P,的比值,即為韋伯數(shù)W。摩爾質量分別為M、M2和M,則混合燃料中組分開始變形破碎的韋伯數(shù)稱為臨界韋伯數(shù),記為i的摩爾分數(shù)為:,。接下來按照TAB模型計算液滴二次霧化的y/y破碎時間和破碎后半徑,具體為:①按式(7)進RYH(11)中國煤化工行計算液滴破裂時間;②聯(lián)合式(7)~(9),并CNMHG法則進行計算:進行離散,代入t=t可計算分裂產(chǎn)生的油滴群的①乙醇柴油的密度采用式(12)計算;②混合燃料046汽車工程學報第6卷的表面張力、粘度和摩爾質量用式(13)計算。0.065月(12)0.059P=∑x/P。(13)0.057式中:P為混合燃料物性值(除密度外);x為第i0.055十四烷N5E5N5E10N5E15N10E10種組分的摩爾分數(shù);P為第i種組分的物性值。油品b)不同燃料對P的影響2計算結果與分析圖3燃料特性對燃料初次霧化影響21對初次霧化的影響注:噴孔直徑為0235mm;液滴與氣相相對速度為40m/s;介質密度12kg/m3;燃油溫度為370K;N和E后面數(shù)字分別代表圖3為燃料特性對初次霧化特征參數(shù)Ω和Ps正丁醇和乙醇的質量分數(shù)變化的影響關系。由圖3可知:(1)十四烷中摻醇后射流表面增長最快的擾動波的波長A降低。與22對液滴二次霧化的影響十四烷相比,N5E5、NSE10、N5E15和N10E10由式(7)可知,臨界韋伯數(shù)主要與液滴直徑、的A降幅分別為476%、7.65%、9.95%和7.96%氣流與液滴的相對速度的平方成正比,與燃料的表由于破碎出來的液滴半徑正比于增長最快的擾動波面張力成反比。由式(8)可知,破碎時間與燃料的波長,因此十四烷中摻混醇有助于降低連續(xù)的射表面張力和密度有關。由文獻]中液滴蒸發(fā)特性流破碎后團塊液核半徑。(2)與十四烷相比,所和燃料屬性對初始霧化的液滴半徑可知,在相同時有乙醇柴油的初次霧化破碎參數(shù)P5降低;NE5、刻和相同位置噴入缸內(nèi)的乙醇柴油和柴油,乙醇柴NE10、NE15和Nl0E10的P3降幅分別為2.12%油液滴比柴油液滴更加容易發(fā)生破碎,而發(fā)生破碎時間需要進一步考察。接下來研究當介質密度、液4.08%、5.72%和3.59%。由于破碎時間正比于破碎滴直徑和氣液相對速度相同時,由于燃料配比的改參數(shù)Ps,柴油機燃用乙醇柴油時初次霧化破碎時間變導致發(fā)生破碎的臨界韋伯數(shù)及破碎時間具體比例縮短。因此在相同的噴射條件下十四烷摻醇后,有關系。助于燃油在噴油器油嘴附近撕裂,促進缸內(nèi)燃油初圖4為乙醇柴油液滴(溫度為370K和500K)次霧化。(3)隨著乙醇柴油中添加醇的質量分數(shù)的的臨界韋伯數(shù)和破碎時間的直方圖。由圖可知增加,乙醇柴油初次霧化后燃料破碎半徑和破碎時(1)乙醇柴油的臨界韋伯數(shù)均高于十四烷,表明乙醇間均降低,且添加相同質量分數(shù)的乙醇降低效果更柴油液滴比十四烷更難發(fā)生破碎。溫度為370K的加明顯。液滴臨界韋伯數(shù)增加幅值較小,而溫度為500K的液滴韋伯數(shù)増幅較大。與十四烷相比,液滴溫度18.5370K時,NE5、N5E10、N5E15和Nl0E0的韋17,5伯數(shù)增幅分別為328%494%、6.31%和5.59%0液滴溫度為500K時,N5E5、N5E10、NE15和15.5N10E10的韋伯數(shù)增幅分別為2167%、38.49%十四烷NSE5N5E10N5E15N10E1055%和中國煤化工柴油的破碎時間油品均高于十四HCNMHG界韋伯數(shù)增加相(a)不同燃料對A的影響對應。與十四烷相比,液滴溫度350K時,N5E5、胡鵬等:燃料特性對乙醇一正丁醇一十四烷燃油霧化特性的影響分析047N5E10、N5E15和N10E10的破碎時間增幅分別12X為1.83%、270%、3.42%和3.16%;液滴溫度為l1×1010X10500K時,N5E5、N5E10、N5E15和N10E10的回9×10破碎時間增幅分別為10.%、17.45%、24.41%和8×1018.84%。(3)乙醇柴油中乙醇或正丁醇的質量分數(shù)7×106×10增加,其臨界韋伯數(shù)和破碎時間均增加。(4)結合5×1十四烷N5E5N5E0NE15N0E10文獻[1]中單液滴蒸發(fā)特性,可知在液滴溫度升高油品至500K時,液滴中乙醇和正丁醇質量分數(shù)非常小,(d)液滴溫度500K醇對二次霧化作用較小。也就是說,柴油中摻混乙圖4燃料特性對液滴破碎的影響醇,混合燃料液滴臨界韋伯數(shù)和破碎時間增加,但注:液滴直徑為?0μ:液滴與氣相相對速度為4ms:介質密度為kgm是增幅較小。2.0十四烷N5E5N5E10N5E15N10E10(a)液滴溫度370K油品(a)液滴溫度370K十四烷N5E5N5E10N5E15N10E10(b)液滴溫度500K十四烷N5E5N5E10N5E15NOE10圖5燃料特性對破碎后 Sauter平均半徑的影響油品(b)液滴溫度500K圖5是乙醇柴油液滴(溫度為370K和500K)破碎后的 Sauter平均半徑變化情況,其中初始參8×10°數(shù)和圖3一致。由圖可知:(1)十四烷中摻醇后,液滴破碎后 Sauter平均半徑變化規(guī)律與溫度有關,6×10°這是由于液滴破碎后 Sauter平均半徑與密度有關,管5×10而十四烷、乙醇和正丁醇三者的密度大小關系取決4×10°于液體溫度。當液滴溫度為370K時,三者的密度3×10°十四烷N5E5NSE10N5E15NoE10關系為:500K時,TH中國煤化工當液滴溫度為CNMHG十四烷>乙醇>(c)液滴溫度370K正丁醇。液滴溫度為370K,不同配比的乙醇柴油048汽車工程學報第6卷液滴破碎后 Sauter平均半徑均增加,但增幅較小,液滴半徑5um與十四烷相比, Sauter平均半徑增幅分別為1.12%4-液滴半徑10pm…·液滴半徑195%、2.61%和1.92%。液滴溫度為500K時,乙醇柴油液滴破碎后 Sauter平均半徑均降低,與8唱回濫塔十四烷相比,該溫度下 Sauter平均半徑降幅分別為1.70%、3,24%、4.83%和3.27%。(2)隨著十四烷LEm.x.0.10.20.30.40.50.60.70.80.9中摻醇比例的增加,破碎后 Sauter平均半徑變化幅液滴半徑增量△rum值減小。液滴溫度為500K時,燃料中乙醇和正丁醇的質量分數(shù)很低,因此在柴油中摻混低質量分數(shù)圖6液滴半徑變化對二次霧化特征參數(shù)的影響的乙醇或正丁醇,液滴破碎后 Sauter平均半徑變化規(guī)律更加接近液滴溫度為370K的情況。綜上所述,時間縮短。結合燃料特性對缸內(nèi)射流初始霧化的影隨著液滴蒸發(fā)和破碎的進行,乙醇柴油燃料特性對響,由于初始霧化后形成的液滴群是二次霧化液滴破碎后 Sauter平均半徑影響很小。的來源,因此燃用乙醇柴油時缸內(nèi)射流初次霧化后由圖5可知,液滴溫度為370K時,乙醇柴油液滴半徑的減小會進一步促進液滴二次霧化(2)在燃料特性對臨界韋伯數(shù)、破碎時間和破碎后 Sauter相同的液滴半徑增量的基礎上,液滴半徑越小,破平均半徑的影響非常小。根據(jù)計算結果,乙醇柴油碎后 Sauter平均半徑和破碎時間對半徑增量敏感性本身理化性質并不能促進柴油機缸內(nèi)二次霧化,對越強。因此當柴油機燃用乙醇柴油時,由于乙醇柴二次霧化起阻礙作用,但影響很小。油具有較好的初次霧化以及蒸發(fā)特性,使乙醇柴油23二次霧化參數(shù)對液滴半徑敏感性分析在柴油機缸內(nèi)最終霧化效果優(yōu)于傳統(tǒng)燃料柴油。由文獻[門]中乙醇柴油和柴油液滴蒸發(fā)特性與結論前文所述燃料屬性對缸內(nèi)射流初次霧化的影響可知,(1)十四烷中醇后初次霧化團塊液核半徑和破相同噴射條件下,乙醇柴油液滴半徑小于柴油液滴,碎時間均降低,有助于燃油在噴油器油嘴附近撕裂而液滴二次霧化特征參數(shù)與液滴半徑有關,因此研究促進缸內(nèi)燃油初次霧化。隨著乙醇柴油中添加醇的液滴二次霧化對液滴半徑的敏感性分析,如圖6所示質量分數(shù)增加,乙醇柴油初次霧化后燃油破碎半徑由圖6可知:(1)隨著液滴半徑增幅的增加,和破碎時間均降低,且添加相同質量分數(shù)的乙醇降破碎后Saur平均半徑和破碎時間的增幅均增加。低效果更加明顯。當液滴半徑增量為1μm時,液滴半徑為10m的破(2)在相同的條件下,乙醇柴油理化性質并不碎后 Sauter均半徑和破碎時間增幅分別為997%能促進柴油機缸內(nèi)二次霧化,對二次霧化起阻礙作和1537%。同時由式(7)可知,破碎時間的降低幅用,但影響很小。與十四烷相比,液滴溫度350K時值與液滴半徑r3成正比,因此液滴半徑降低,破碎N5E5、NE10、N5E15和N10E10的破碎時間增幅分別為1.83%、270%、342%和3.16%魯液滴半徑5um一液滴半徑10m(3)在相同的液滴半徑增量的基礎上,液滴半M·液滴半徑15pm徑越小,破碎后 Sauter平均半徑和破碎時間對半徑增量敏感性越強,越容易發(fā)生二次霧化。(4)由于初始霧化后形成的液滴群是二次霧化液滴的來0.80.90.10H中國煤化工射流初次霧化后液滴半徑增量△rjm液滴半徑CNMHG同時乙醇柴油具有良好的液滴蒸發(fā)特性,也會促進液滴二次霧化。第1期胡鵬等:燃料特性對乙醇一正丁醇-十四烷燃油霧化特性的影響分析049參考文獻( 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