第2期內(nèi)燃機(jī)2011年4月Internal Combustion EnginesApr. 2011溫度對(duì)乙醇重整嘛料發(fā)動(dòng)祝充氣效率的影響周越,董健,鄭亮,歐陽(yáng)林(武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,湖北武漢430063)摘要:一種簡(jiǎn)化計(jì)算公式能夠描述進(jìn)氣溫度變化對(duì)內(nèi)燃機(jī)充氣效率的影響。同時(shí)采用工作過(guò)程仿真和筆者提出的計(jì)算公式比較,考慮了發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)排量、進(jìn)氣入口空氣溫度和乙醇重整燃料溫度等因素,計(jì)算分析了溫度對(duì)乙醇重整燃料發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率的影響。簡(jiǎn)化計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果與工作過(guò)程仿真的計(jì)算結(jié)果非常接近,二者的最大差值小于0.5%;計(jì)算結(jié)果表明,由于高溫乙醇重整燃料引起的進(jìn)氣溫度變化,導(dǎo)致充氣效率下降3%~7%。關(guān)鍵詞:溫度;乙醇重整燃料;充氣效率;內(nèi)燃機(jī)TK401文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1000-6494(2011)02-0026-04Effects of Temperature on Charging Efficiency ofEthanol-reforming Fuel EngineZHOU Yue, DONG Jian, ZHENG Liang, OUYANG LinSchool of Energy and Power Engineering, Wuhan University ofScience and Technology, Wuhan 430063, ChinaAbstract: A simplified calculation formula can describe effects of intake temperature variation on charging efficiency ofinternal combustion engine. Compared working process simulation to the formula mentioned above, in view of the followingfactors, engine load, rotate speed, delivery capacity, air temperature in inlet and ethanol reforming fuel temperature, theper analyzes effects of the temperature on charging efficiency. The two calculation results are very approximate. The maxum difference is smaller than 0. 5%. The results show that the variation of intake temperature caused by high-tempera-3%-7%Key words: temperature; ethanol -reforming fuel; charging efficiency; internal combustion engine圖1所示為一種內(nèi)燃機(jī)改裝的乙醇重整燃料發(fā)進(jìn)氣動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。催化重整器利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣提供熱量高溫重整燃料液體乙醇經(jīng)過(guò)重整器成為富氫的乙醇重整燃料,高混合氣溫重整燃料完全或者部分替代汽油(柴油),在進(jìn)氣道與空氣混合后進(jìn)入氣缸。富氫的乙醇重整燃料有助于改善燃燒。但是相比較原型發(fā)動(dòng)機(jī),乙醇重整燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣○排氣效率急劇下降,將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能下降2催化重整器乙醇基金項(xiàng)目:湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2009CDA029);圖1乙醇重整發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助作者簡(jiǎn)介:周越(1986-),男,湖北黃梅縣人,在讀碩士,主要研究方向是內(nèi)燃機(jī)代用燃料與性能優(yōu)化。HCNMHG收稿日期:2010-11-25第2期周越等:溫度對(duì)乙醇重整燃料發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率的影響文獻(xiàn)[2]提出了乙醇重整燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率的影響的計(jì)算公式,可以預(yù)測(cè)完全燃用或者部分2乙醇重整燃料溫度對(duì)進(jìn)氣(入口)溫度的摻燒乙醇重整燃料對(duì)S發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率和柴油機(jī)影響充氣效率的影響。假定系統(tǒng)混合前后的壓力相等,且系統(tǒng)中各組實(shí)際上乙醇重整燃料對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率的影分的壓力相等,系統(tǒng)混合前后的總摩爾量相等。響可能比文獻(xiàn)[2]中計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果偏大,這根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程和數(shù)學(xué)推導(dǎo),與重整燃是因?yàn)槲墨I(xiàn)[2]中的計(jì)算公式均未考慮高溫乙醇重料混合后的進(jìn)氣入口溫度可以表示為整燃料引起的進(jìn)氣溫度變化對(duì)充氣效率的影響。t'=n Vd·A·L)事實(shí)上,在乙醇重整發(fā)動(dòng)機(jī)中,由于高溫重整燃料采用預(yù)混合方式進(jìn)入氣缸,將使得混合氣的溫度有所提高,而且進(jìn)氣(人口)溫度的變化將影響缸內(nèi)進(jìn)氣終點(diǎn)的氣體溫度,導(dǎo)致充氣效率下降,見(jiàn)圖2t+d:A··(2)中·A·lo·ur+空氣溫度t式中,t為重整燃料混合前的進(jìn)氣入口溫度,K;為與重整燃料混合后的進(jìn)氣入口溫度,K;t為重混合后溫度t高溫重整燃料t整燃料溫度,K;no,n/分別為空氣摩爾量和重整燃料的摩爾量,mol;Va,V分別為空氣在氣缸中所占的容積和重整燃料在氣缸中所占的容積,L;λ,L0分別為乙醇重整發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)量空氣系數(shù)和乙醇重整進(jìn)氣終點(diǎn)燃料的理論空燃比;μ。為空氣的平均分子量,缸壁溫度tu缸內(nèi)氣體溫度Tkg/mol;μ為重整燃料的平均分子量?？筛鶕?jù)重整燃料的各組分的摩爾濃度x;和各組分的分子量u1計(jì)算求取(μ=Σx·μ;);為重整燃料的(熱量)當(dāng)圖2重整燃料溫度對(duì)充氣效率的影響量摻燒比例,即d=(摻燒的乙醇重整燃料量·乙醇重整燃料熱值)(原型發(fā)動(dòng)機(jī)燃料量·原型發(fā)動(dòng)1乙醇重整燃料溫度對(duì)充氣效率的影響機(jī)燃料熱值)。對(duì)于完全燃用重整燃料d=1.0;對(duì)假定進(jìn)氣過(guò)程中氣體常數(shù)不隨溫度變化,單獨(dú)部分摻燒(例如柴油機(jī))中<1.0?？紤]重整燃料溫度對(duì)乙醇重整發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率的圖3為乙醇重整燃料溫度變化對(duì)進(jìn)氣溫度的影影響可表示為響。圖4為入口溫度變化對(duì)進(jìn)氣溫度的影響。計(jì)算中取過(guò)量空氣系數(shù)λ=1.2,重整率為50%,乙醇體n’_M'_T(1)積百分比75%,當(dāng)量摻燒比d=1.0,重整反應(yīng)按照式中,,n′分別為不考慮重整燃料溫度和考慮C2H3OH+H2O→2CO+4H2計(jì)算重整燃料溫度影響時(shí)乙醇重整發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率;由圖3和圖4可見(jiàn),隨著重整燃料溫度的增加,M,T分別為不考慮重整燃料溫度影響時(shí)缸內(nèi)進(jìn)氣混合后的進(jìn)氣溫度t呈線性增加。入口空氣溫度的變化會(huì)改變混合后氣體的溫度水平,但是變化規(guī)律終點(diǎn)的空氣量和溫度。M,T′分別為考慮重整燃料和變化幅度都基本相同。溫度影響時(shí)缸內(nèi)進(jìn)氣終點(diǎn)的空氣量和溫度。式(1)的物理意義明確而且形式簡(jiǎn)單,但是實(shí)入口空氣溫度293K入口空氣溫度273K際應(yīng)用中卻很不方便,這是因?yàn)殡y以確定由于進(jìn)氣入口空氣溫度313K溫度變化導(dǎo)致的缸內(nèi)進(jìn)氣終點(diǎn)的氣體溫度。因此340330將乙醇重整燃料溫度對(duì)充氣效率的影響轉(zhuǎn)化為320下兩個(gè)問(wèn)題a.乙醇重整燃料溫度對(duì)進(jìn)氣(入口)溫度的280影響。36中國(guó)煤化工4428438448458b進(jìn)氣溫度變化對(duì)缸內(nèi)進(jìn)氣終點(diǎn)的氣體溫度CNMHG的影響。圖3重整燃料溫度對(duì)進(jìn)氣道混合氣溫度的影響內(nèi)燃機(jī)011年4月燃料溫度工作過(guò)程仿真計(jì)算采用AVL- BOOST軟件的燃料溫度燃料溫度473K倒拖模型,考慮了氣缸壁溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)排量、進(jìn)氣入口空氣溫度和乙醇重整燃料溫度等因330320素,計(jì)算分析了溫度對(duì)乙醇重整燃料發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效如310率的影響。簡(jiǎn)化計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果與工作過(guò)程仿真的計(jì)算結(jié)果非常接近,二者的最大差值小于2702532632732832933033130.5%。入口溫度/K圖5為不同的當(dāng)量壁溫t時(shí),公式(4)的計(jì)算圖4人口溫度對(duì)進(jìn)氣道混合氣溫度的影響結(jié)果與 BOOST仿真結(jié)果的對(duì)比;圖6為不同的進(jìn)氣3進(jìn)氣溫度變化對(duì)充氣效率(缸內(nèi)進(jìn)氣終點(diǎn)入口溫度t時(shí),對(duì)比公式(4)與仿真計(jì)算,重整燃料的氣體溫度)的影響溫度對(duì)充氣效率的影響;圖7為不同轉(zhuǎn)速條件下,對(duì)空氣沿進(jìn)氣道進(jìn)入氣缸,進(jìn)氣入口溫度和缸內(nèi)比公式(4)與仿真計(jì)算,重整燃料溫度對(duì)充氣效率進(jìn)氣終點(diǎn)的氣體溫度之間存在比較復(fù)雜的傳熱和的影響;圖8為不同的發(fā)動(dòng)機(jī)排量時(shí),公式(4)的計(jì)氣溫度變化對(duì)缸內(nèi)進(jìn)氣終點(diǎn)的氣體溫度的影響。物化“可Osm仿真結(jié)果的對(duì)比;圖9為不同入口氣體流動(dòng)過(guò)程,目前尚未見(jiàn)有采用簡(jiǎn)單公式描述算結(jié)果與利用現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程仿真軟件可以計(jì)算進(jìn)溫度時(shí),公式(4)的計(jì)算結(jié)果與 BOOST仿真結(jié)果的但是這種仿真計(jì)算都是針對(duì)具體的特定發(fā)動(dòng)機(jī)和圖5、圖6、圖7、圖8、圖9計(jì)算結(jié)果還表明,由工況,不能給出“進(jìn)氣溫度變化對(duì)充氣效率(缸內(nèi)進(jìn)于高溫乙醇重整燃料引起的進(jìn)氣溫度變化,將導(dǎo)致氣終點(diǎn)的氣體溫度)的影響”的一般描述充氣效率下降3%~7%。通過(guò)對(duì)“空氣沿進(jìn)氣道進(jìn)入氣缸”過(guò)程的分析一公式計(jì)算研究,設(shè)想將進(jìn)氣溫度變化對(duì)充氣效率(缸內(nèi)進(jìn)氣t=420Kt=293K仿真計(jì)算終點(diǎn)的氣體溫度)的影響表示為s0.97T0.96(3)0950.94式中,t,T分別為不考慮重整燃料溫度時(shí)的進(jìn)310315氣入口溫度和缸內(nèi)進(jìn)氣終點(diǎn)溫度,K;t',T分別為重整燃料溫度/K考慮重整燃料溫度時(shí)的進(jìn)氣入口溫度和缸內(nèi)進(jìn)氣公式計(jì)算終點(diǎn)溫度,K,'根據(jù)公式(2)計(jì)算求取;t為進(jìn)氣過(guò)t=420Kt=293K仿真計(jì)算程中的當(dāng)量壁溫,K,主要考慮氣缸內(nèi)壁溫度,其溫0.98度范圍取380-470K;a,a2分別為重整燃料混合096前、后的當(dāng)量傳熱系數(shù)0.95式(3)的物理意義明確而且形式簡(jiǎn)單,式(3)表31示“空氣沿進(jìn)氣道進(jìn)入氣缸”為加熱溫升過(guò)程,而且重整燃料溫度/K溫度的增加與當(dāng)量壁溫和氣體溫度之差密切相關(guān)。公式計(jì)算通過(guò)工作過(guò)程仿真計(jì)算和數(shù)據(jù)處理,取式(3)t=380Kt=293K仿真計(jì)算0.98中當(dāng)量傳熱系數(shù)a=a=3,進(jìn)氣溫度變化對(duì)充氣效率(缸內(nèi)進(jìn)氣終點(diǎn)的氣體溫度)的影響可以表0.96為m_ T-3TYh中國(guó)煤化工CNMHG第2期周越等:溫度對(duì)乙醇重整燃料發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率的影響公式計(jì)算一仿真計(jì)算L=420Kb=273K仿真計(jì)算t=420Kt=273K公式計(jì)算00000310重整燃料溫度/K250260270280290300310320重整燃料溫度/K公式計(jì)算t=420Kt=293K仿真計(jì)算圖9不同人口溫度的影響9%結(jié)論a.所提出的簡(jiǎn)化計(jì)算公式能夠比較準(zhǔn)確描述進(jìn)30531525氣溫度變化對(duì)內(nèi)燃機(jī)充氣效率的影響;計(jì)算公式能重整燃料溫度/K夠描述由于髙溫乙醇重整燃料引起的進(jìn)氣溫度變公式計(jì)算化對(duì)乙醇重整燃料發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率的影響。420Kt=313K仿真計(jì)算b.簡(jiǎn)化計(jì)算公式與工作過(guò)程仿真計(jì)算的比較s0.98考慮了氣缸壁溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)排量、進(jìn)氣0.96入口空氣溫度和乙醇重整燃料溫度等諸多因素320325330335簡(jiǎn)化計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果與工作過(guò)程仿真的計(jì)算重整燃料溫度/K結(jié)果非常接近,二者的最大差值小于0.5%。圖6不同進(jìn)氣人口溫度影響C.簡(jiǎn)化計(jì)算公式的物理意義明確而且形式簡(jiǎn)單,使用方便。公式計(jì)算仿真轉(zhuǎn)速1000r/仿真轉(zhuǎn)速1500r/mi仿真轉(zhuǎn)速200/d.由于高溫乙醇重整燃料引起的進(jìn)氣溫度增加,將導(dǎo)致充氣效率下降3%~7%0.96e.應(yīng)綜合考慮乙醇重整燃料組分和組分濃度變化導(dǎo)致的充氣效率下降,以及進(jìn)氣溫度增加所導(dǎo)致的充氣效率下降。310315重整燃料溫度/K[參考文獻(xiàn)]圖7不同轉(zhuǎn)速的比較[1 Heywood J. B, Internal Combustion Engine Fundamer公式計(jì)算一仿真排量043Ltals. McGraw -hill. 1988一仿真排量09L仿真排量16L2]董健,李格升,黃勇.乙醇重整燃料對(duì)內(nèi)燃機(jī)充氣效率的影響[J].內(nèi)燃機(jī),2009,(2)0.96[3]黃勇,董健,李格升.含水乙醇蒸氣對(duì)內(nèi)燃機(jī)充氣效率的影響[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2008,(5)315重整燃料溫度/K圖8不同排量的比較中國(guó)煤化工CNMHG