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論文導(dǎo)讀:：柴油機(jī)工作中轉(zhuǎn)速突然降低。柴油清凈劑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的試驗(yàn)與模擬計(jì)算研究。
論文關(guān)鍵詞：柴油機(jī)，清凈劑，性能，試驗(yàn)，模擬

　　序言
　　汽車排放標(biāo)準(zhǔn)不斷加嚴(yán)和現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步對(duì)車用燃料清凈性提出了越來(lái)越高的要求，車用柴油清凈性對(duì)汽車工作過(guò)程的影響越來(lái)越突出[1]。由于柴油內(nèi)的烴類成分的碳鏈長(zhǎng)，含有不飽和烴等原因[2]，在內(nèi)燃機(jī)中通常難以燃燒完全，尾氣煙度大，易積炭，造成熱效率不高，極大地污染了生態(tài)環(huán)境[3]。另外，由于我國(guó)目前煉油工業(yè)的現(xiàn)狀，柴油中催化裂解組分增多，盡管加入了抗氧劑，在長(zhǎng)期的存儲(chǔ)中，也會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)而生成不溶性膠質(zhì)、殘?jiān)�和漆狀沉積物，這些雜質(zhì)很容易堵塞過(guò)濾器和噴嘴，嚴(yán)重影響燃油噴射和發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況，使燃燒惡化，油耗增加，導(dǎo)致其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性下降及排放惡化[4]。而清凈性好的車用柴油能使汽車在運(yùn)行中自動(dòng)清洗發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)，清除積碳和沉積物，保持燃油噴嘴的清潔和燃油噴射正常，使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作平穩(wěn)，保持優(yōu)良的工作特性[5]。
　　1試驗(yàn)研究
　　1.1試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)備
　　1.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)
　　以S195柴油機(jī)為研究對(duì)象，計(jì)算工況為柴油機(jī)標(biāo)定工況，其參數(shù)如表1所示。
　　表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)
　　

1.1.2 測(cè)試儀器
　　碳煙分析儀：FBY-1型柴油機(jī)煙度計(jì)佛山分析儀器廠；
　　HC和CO分析儀：MEXA-441FB型分析儀日本URAKAWA TRANS IND.CO.LTD；
　　NOA-7000型NOX排放分析儀：日本島津公司；
　　CW-37型電渦流測(cè)功機(jī)：浙江遂昌動(dòng)力測(cè)試設(shè)備廠；
　　日本小野FC-024容積式油耗儀：日本小野公司；
　　DHF-12積分電荷放大器：北戴河無(wú)線電廠；
　　SYC-250/1000型壓力傳感器：上海內(nèi)燃機(jī)研究所；
　　排氣溫度、水溫、機(jī)油溫度傳感器及儀表；
　　LEC-36BM-G05D編碼器：長(zhǎng)春第一光學(xué)儀器廠；
　　AR1100A高速數(shù)據(jù)采集儀：日本Yokogawa ElectricCorporation。
　　1.1.3發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試裝置
　　S195柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架布置示意圖如圖1所示，臺(tái)架 CAT測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。軟件是通過(guò)軟件模塊控制PCI總線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所需功能，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示。操作系統(tǒng)采用Windows XP，開(kāi)發(fā)工具采用NI公司LabWindows/CVI軟件。
　　圖1 試驗(yàn)裝置示意圖
　　Fig.1 Schematic of experimental set up
　　1.1.4 試驗(yàn)燃料
　　在柴油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的臺(tái)架試驗(yàn)中，共使用了兩種燃料：普通柴油和加劑柴油。所用普通柴油為符合國(guó)標(biāo)的0＃柴油；柴油清凈劑CAUJ23，以生物柴油為載體油，采用聚異丁烯丁二酰亞胺為特征組分，生物柴油與聚異丁烯丁二酰亞胺的體積比為4:1。生物柴油為含氧替代燃料，可以促進(jìn)燃燒 [6]。加劑柴油中，柴油與CAUJ23柴油清凈劑的體積比為500：1，也就是說(shuō)，CAUJ23清凈劑的添加濃度為2 000×10-6（v/v）。這是所查閱的文獻(xiàn)中，最大的清凈劑添加濃度，旨在盡量使清凈劑的作用效果明顯化。
　　1.2 試驗(yàn)研究結(jié)果分析
　　1.2.1加劑柴油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響
　　采用LabWindows缸壓測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行壓力測(cè)量，每一工況下的各項(xiàng)測(cè)試至少3次，平均若干次測(cè)試結(jié)果后分別得到基礎(chǔ)油和添加清凈劑后的柴油的壓力曲線�；�礎(chǔ)油和加劑柴油的測(cè)試缸壓(340°CA～400°CA)見(jiàn) 圖3所示。
　　
　　圖3 不同曲軸轉(zhuǎn)角下基礎(chǔ)油和加劑柴油的測(cè)試缸壓變化(340°CA～400°CA)
　　Fig.3 The testing cylinder’s pressure of basic and thecleaning diesel-oil at different crank angles
　　從圖3試驗(yàn)壓力曲線可以看出，加劑柴油的最高壓力比基礎(chǔ)油最高壓力升高1.8%；這一方面是由于本試驗(yàn)中所采用的CAUJ23清凈劑以生物柴油為載體油；另一方面，則由于采用了柴油清凈劑，燃油霧化效果好，燃燒充分。
　　1.2.2柴油清凈劑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響
　　基礎(chǔ)油和加劑柴油的燃料消耗量與耗油率曲線分別見(jiàn)圖4所示。從燃油消耗率曲線看到，同一負(fù)荷下燃用加劑柴油的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率降低，這主要是因?yàn)椴裼颓鍍魟┚哂辛己玫姆稚⑶鍍粜�能，缸�?nèi)壓力高，燃油霧化性，燃燒充分，因此其經(jīng)濟(jì)性好，由圖4可以看出，在中等負(fù)荷工況下（50%～70%）機(jī)械論文，加劑燃油的經(jīng)濟(jì)性最好，耗油率相比基礎(chǔ)油下降3%左右。
　　
　　(a)燃料消耗量 (b)耗油率
　　圖4 不同負(fù)荷下基礎(chǔ)油和加劑柴油的燃料消耗的對(duì)比
　　Fig.4 The fuel consumption of basic and the cleaning diesel-oil atdifferent load
　　2 模擬計(jì)算研究
　　2.1 數(shù)學(xué)模型的建立
　　2.1.1初始條件
　　在模擬計(jì)算過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒為瞬態(tài)問(wèn)題，需要給出計(jì)算點(diǎn)的所有流動(dòng)變量的初值；對(duì)于溫度、壓力、活塞運(yùn)動(dòng)速度等參量在某一時(shí)刻的瞬態(tài)值，只要計(jì)算步長(zhǎng)設(shè)置合理，計(jì)算能夠收斂，收斂精度足夠高，就可以得到足夠精確的計(jì)算值中國(guó)論文網(wǎng)。
　　2.1.2 邊界條件
　　壁面速度邊界條件有無(wú)滑移、自由滑移和湍流壁面率等幾種，本文采用湍流壁面率條件，即壁面流體速度等于法向壁面速度。壁面法向速度的分布為：
　　（1）
　　式中，——沿壁面法向距離；
　　——距離壁面距離處的流體切向速度；
　　——流體運(yùn)動(dòng)粘度；
　　——剪切速度，與壁面切應(yīng)力和流體密度有關(guān)，即
　　；（2）
　　壁面湍流邊界條件在近壁函數(shù)方程中詳細(xì)敘述。湍流壁面函數(shù)下，單位壁面面積的熱流損失為：
　　（3）
　　壁面溫度條件有絕熱壁和固定溫度壁面[8]。這里采用固定溫度壁面條件，壁面?zhèn)鳠崃坑蒖eynold類比準(zhǔn)則確定：
　　（4）
　　式中，——氣缸壁面溫度；
　　——層流普朗特?cái)?shù)；
　　——普朗特?cái)?shù)。
　　2.1.3 模擬計(jì)算的方法與過(guò)程
　　首先，利用GAMBIT網(wǎng)格生成器，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格結(jié)合的混合網(wǎng)格生成技術(shù)，對(duì)S195柴油機(jī)的幾何造型進(jìn)行適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格生成。劃分網(wǎng)格后，根據(jù)初始條件和邊界條件，進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。由于缸內(nèi)物質(zhì)狀態(tài)在時(shí)刻變化，因此采用二階隱含式非穩(wěn)態(tài)計(jì)算。前兩項(xiàng)輸入可以從prePDF和GAMBIT處理后直接讀入，初始條件和邊界條件的輸入過(guò)程如下：
　　 　�、偎俣冗吔绮捎猛牧鹘�壁，溫度邊界采用固定溫度壁面，環(huán)境壓力為大氣壓力；
　�、谳斎胗�(jì)算開(kāi)始曲軸轉(zhuǎn)角和終了曲軸轉(zhuǎn)角，設(shè)定計(jì)算步長(zhǎng)。最終確定計(jì)算起點(diǎn)為223°CA，計(jì)算終點(diǎn)497°CA，計(jì)算步長(zhǎng)為1℃；
　�、圯斎氚l(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括曲軸轉(zhuǎn)速2000r/min氣缸直徑95mm、活塞沖程115mm、連桿長(zhǎng)度210mm等；
　�、苋加皖w粒采用油滴碰撞和油滴破碎復(fù)合特性，噴油開(kāi)始于上止點(diǎn)前10°CA，持續(xù)12°CA；噴霧錐角20°CA；噴油速度225m/s；噴孔直徑0.26mm；氣缸壁面溫度552℃；初始油溫300k；
　　⑤設(shè)定誤差精度為10e-03，各個(gè)控制方程滿足其精度才可判為收斂，否則發(fā)散。
　　2.2 模擬結(jié)果分析
　　圖5為基礎(chǔ)油在不同的曲軸轉(zhuǎn)角下其缸壓的模擬結(jié)果。
　　
　　(a) 353°CA (b) 360°CA
　　
　　(c)362°CA (d)370°CA
　　圖5 不同的曲軸轉(zhuǎn)角下基礎(chǔ)油的缸壓的模擬結(jié)果
　　Fig.5 The simulation cylinder’spressure of basic diesel-oil at different crank angles
　　圖6為加劑柴油在不同的曲軸轉(zhuǎn)角下其缸壓的模擬結(jié)果。
　　
　　(a)353°CA(b)360°CA
　　
　　(c)362°CA(d)370°CA
　　圖6 不同的曲軸轉(zhuǎn)角下加劑柴油其缸壓的模擬結(jié)果
　　Fig.6 The simulation cylinder’spressure of the cleaning diesel-oil at different crank angles
　　從以上壓力變化過(guò)程圖（圖5至圖6）中可以看到，在壓縮階段，壓力逐漸上升，在燃料被引燃以后，副燃燒室內(nèi)壓力迅速升高、膨脹，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)。由于加劑柴油對(duì)噴嘴具有良好的清凈效果，且霧化分散性好，因此噴霧射程大，燃燒均勻、充分，從而導(dǎo)致壓力、溫度都比燃用基礎(chǔ)油時(shí)略有升高，通過(guò)模擬計(jì)算得到的結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。
　　設(shè)定曲軸轉(zhuǎn)角增幅為1°CA，輸出計(jì)算得到的設(shè)定曲軸轉(zhuǎn)角下的對(duì)應(yīng)平均缸壓值，可以得到缸壓的變化曲線見(jiàn)圖7所示：
　　
　　圖7 不同曲軸轉(zhuǎn)角下基礎(chǔ)油和加劑柴油的模擬缸壓曲線(340°CA～400°CA)
　　Fig.7 The simulation cylinder’spressure of the basic and cleaning diesel-oil at different crank angles
　　從計(jì)算得到的示功圖可以看到，不論柴油加劑與否，燃料的最高壓力點(diǎn)大約都在上止點(diǎn)后6~7°CA。燃用加劑柴油的最高缸壓比燃用基礎(chǔ)油最高缸壓升高大約3.1%。
　　3模擬計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的比較分析
　　對(duì)于基礎(chǔ)油和加劑柴油進(jìn)行模擬后，與試驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比，其缸壓的變化結(jié)果如圖8所示。
　　
　　 (a)基礎(chǔ)油 （b）加劑柴油
　　圖8 不同曲軸轉(zhuǎn)角下基礎(chǔ)油和加劑柴油缸壓模擬計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果比較
　　Fig.8 The comparison of the cylinder’spressure of the basic and cleaning diesel-oil at different crank angles
　　從以上兩圖中可以看到，試驗(yàn)測(cè)量缸壓略小于計(jì)算值，這是由于測(cè)量的通道效應(yīng)引起的測(cè)量誤差導(dǎo)致。但是，總體來(lái)說(shuō)，計(jì)算得到的缸壓與實(shí)際測(cè)得的缸壓吻合情況較好。
　　4 結(jié)論
　　（1）通過(guò)柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)與模擬計(jì)算得出添加清凈劑后的柴油最高氣缸壓力比基礎(chǔ)油最高氣缸壓力約高出1.8%～3.1%左右；
　　（2）通過(guò)柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)得出在中等負(fù)荷工況下（50%～70%），加劑柴油的經(jīng)濟(jì)性最好，耗油率相比基礎(chǔ)油下降3%左右。
　�。�3）通過(guò)模擬計(jì)算看到加劑柴油與基礎(chǔ)油燃料的最高工作壓力點(diǎn)大約都在上止點(diǎn)后6°CA ~7°CA之間。

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