摘 要

乙醇是目前比较有前景的内燃机替代燃料之一，而柴油机混合气形成的优劣对后期燃烧十分重要，所以本文应用CFD软件AVL-FIRE数值模拟柴油机缸内乙醇/柴油混合燃料的喷雾过程，研究喷射压力、环境压力和乙醇掺混比对喷雾特性的影响及其变化规律，并试验验证模拟结果。

研究结果表明：喷射压力每增大16MPa，贯穿距约增大3.5mm，索特平均直径减小8微米，喷雾锥角增大2°，雾化质量提高，喷雾体中心速度增大12m/s，空气卷吸作用明显；E20和E40的喷雾贯穿距、索特平均直径变化不明显，喷雾锥角比柴油大5°，而纯柴油的最小索特平均直径为5，比混合燃料小6；环境压力每增大3.3MPa，喷雾贯穿距减小2-3mm，索特平均直径增大2，喷雾锥角增大2-3°，喷雾体中心速度减小11m/s。

关键词：乙醇/柴油；喷雾特性；数值仿真

Abstract

The spray process of ethanol / diesel blended fuel was simulated by CFD software FIRE, and the simulation results were verified by experiments. This paper combines the background of the lack of diesel in China with the present situation of spray research at home and abroad, and expounds that ethanol / diesel could be widely used in China. The principles and research methods of spray are introduced. The solver control equations and calculation models used in this study are described. The initial conditions and boundary conditions are determined after overall consideration. The simulation results of ethanol / diesel spray are analyzed in detail, and its accuracy is verified by experiments. It lays the foundation of the application of ethanol / diesel to diesel engine.

The results show that: With the injection pressure increases 16MPa, the spray penetration distance increases about 3.5mm, sauter mean diameter decreases 8, the spray cone angle increases 2°, and the atomization quality is improved, the velocity of the spray increases 12m/s, and the air entrainment is obvious; With the mixing ratio increases, the spray penetration distance and sauter mean diameter don’t change obviously, the spray cone angle of mixed fuel is 5° more than diesel; With the ambient pressure increases 3.3MPa, the spray penetration distance decreases 2-3mm, sauter mean diameter increases 2, and the spray cone angle increases 2-3°, The center speed of the spray decreases 11m/s.

Key Words：Ethanol / diesel；spray characteristics；Numerical simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3 乙醇/柴油混合燃料的理化特性 3

1.4 汽车代用燃料 3

1.5 研究目的和内容 4

第2章 喷雾原理和研究方法 6

2.1喷雾研究历史 6

2.2 喷雾原理 6

2.2.1 喷雾场结构 6

2.2.2 喷雾特性 7

2.2.3 雾化机理 8

2.3 研究喷雾的方法 10

2.3.1 计算机仿真方法 10

2.3.2 实验法 11

2.4 本章小结 11

第3章 控制方程和计算模型 12

3.1 控制方程 12

3.1.1 湍流控制方程 12

3.1.2 连续相控制方程 13

3.1.3 离散相控制方程 13

3.2 计算模型 14

3.2.1 蒸发模型 14

3.2.2 破碎模型 15

3.2.3 湍流扩散模型 15

3.2.4 碰壁模型 15

3.2.5 碰撞聚合模型 16

3.3 数值求解过程 16

3.4 FIRE数值仿真的流程 17

3.5 本章小结 17

第4章 乙醇/柴油混合燃料数值仿真和结果分析 18

4.1 建立气缸网格模型 18

4.2 仿真参数的设置 19

4.2.1 运行模式和计算模块 19

4.2.2边界条件和初始条件的设置 19

4.2.3 控制参数的设置 20

4.2.4 喷雾模块参数的设置 20

4.3 仿真结果分析 21

4.3.1喷射压力对喷雾特性的影响 21

4.3.2 乙醇掺混比对喷雾特性的影响 24

4.3.3 环境压力对喷雾特性的影响 27

4.4 实验结果与分析 29

4.4.1 掺混比对喷雾特性的影响 29

4.4.2 喷射压力对喷雾特性的影响 30

4.5 本章小结 30

第5章 总结与展望 32

5.1 总结 32

5.2 展望 32

参考文献 34

致 谢 36

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

19世纪60年代，莱诺依尔发明了世界上第一台内燃机：大气压力式内燃机。随后，奥托、迪塞尔等人不断改进，发明了真正的以柴油为燃料的压燃式发动机，并将其应用于汽车上。由于内燃机热效率高，比质量（单位功率的质量）小，结构简单且移动方便，因而它被广泛应用于交通运输、工程机械、农业机械和发电作为动力^[1]。根据中国汽车工业协会网站，2016年中国汽车产销量超过2800万辆，创全球历史新高，连续八年蝉联全球第一。同时中汽协预测：2017年中国汽车销量或将接近3000万辆。汽车一方面为人们提供了很大的生活便利，但另一方面也带来了能源匮乏和环境污染两大世界难题。

传统汽车以汽油和柴油为主要燃料，这也导致了我国能源危机的加剧，更严重的是传统汽车排除出大量的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物及颗粒物，这也是导致雾霾的重要原因之一。中国本就是一个柴油稀缺的国家，为了降低对柴油的依赖,寻找替代柴油的清洁燃料迫在眉睫。乙醇是一种醇类燃料，具有清洁、可再生的的优点，且本身含氧，混合柴油后可使缸内燃烧更均匀充分，进而降低有害物的排放。正因为乙醇的这些优点，它很久之前就被认为是比较有前景的替代燃料之一。早在1973年石油危机爆发时，巴西便开始大力发展乙醇作为替代燃料，美国也开始推广使用掺混酒精10%的汽油。2000年，中国三分之一的石油需从国外进口，政府认识到开发新能源的重要性并大力发展乙醇燃料^[2]。研究表明：乙醇/柴油的混合燃料可明显降低柴油机的有害排放。美国科罗拉多矿业学院用掺混10%以上乙醇的混合燃料进行十三工况试验，结果显示一氧化碳和颗粒物排放明显降低，且发动机耐久性良好^[3]。

石油燃料的广泛使用带来了很大的污染，发展清洁的替代燃料势在必行。而我国作为农业大国，粮食富余，发展乙醇作为替代燃料具有得天独厚的优势。因此，研究乙醇/柴油混合燃料作为替代能源的可行性具有重要意义：

（1）缓解环境污染 乙醇的含氧量高达35%以上，降低了理论空燃比，使得燃烧更充分。纯乙醇可使发动机碳烟明显降低，一氧化碳减少30%，有害排放降低33%。由此可见，乙醇柴油混合燃料也定能减少尾气的污染。

（2）降低石油依赖 我国为柴油稀缺国家，在柴油中掺入适当比例的乙醇，提高柴油利用率，可减少进口，降低燃油价格，对提高国民生活质量和发展国家经济都有着重要意义。

（3）增加农民收入 我国农业较为发达，2015年全国粮食总产量达到六亿多吨，而乙醇从粮食和秸秆中制取的技术难度不高，一旦乙醇实现了广泛应用于混合燃料中，粮食的需求量也会大大增加，农民的收入自然得到提升，这有利于提高GDP和国民的幸福满意度。

1.2国内外研究现状

针对柴油机的喷雾现象，内燃机行业的众多学者都发表了关于柴油机燃料喷雾特性及研究方法的论文，对于研究乙醇/柴油的喷雾特性及影响因素具有重要的指导意义。曹建明等^[4-5]在著作中详细论述了液体碎裂、液滴尺寸、喷嘴特点等喷雾机理；冯国琳等试验得出了乙醇/柴油混合燃料的理化特性（冷滤点、粘度、馏程等）^[6-7]；姜磊等通过数值模拟的方法，研究了生物柴油与柴油的混合燃料的喷雾特性，结果表明：随着掺混比增大，贯穿距和索特平均直径增大，且喷雾特性受燃料的密度和粘度很大影响^[8-10]。史绍熙等试验研究了背压、喷油压力、喷嘴孔径、乙醇掺混比对喷雾特性的影响，结果表明：随着喷油压力升高，孔径减小，SMD减小；乙醇掺混比提高，贯穿距减小^[11-13]。陈虎等采用数值模拟加试验验证的方法获得了乙醇/柴油混合燃料的物性参数，并模拟了混合燃料的喷雾过程，验证了影响混合燃料喷雾特性的因素及其变化规律^[14-15]。除了影响喷雾特性的上述因素，安彦召利用平面激光诱导荧光（PLIF）测量燃料喷雾浓度场和温度场，跟踪瞬态变化的喷雾场，发现混合燃料的挥发性对喷雾特性也不可忽略的影响。

国外也有许多学者对柴油机的喷雾有着深入的研究，比如Keiya等^[16-17]研究了喷孔几何特性对喷雾特性的影响，阐释了：在喷射流量较小的条件下，单孔与多孔喷嘴会对喷雾特性造成怎样的影响；在不同喷射流量下，喷雾特性参数又会有怎样的变化。日本东北大学Ochiai等^[18-19]应用新研发的软件VOF-DDM模拟喷孔中雾化液滴的形成，该软件可以预测喷雾锥角、贯穿距等喷雾参数。Joonsik等试验研究了食用油、生物柴油等在无氧定容燃烧室中的喷雾特性，以80MPa的压力从共轨系统中喷出，在计算机中成像从而观察喷雾贯穿距、喷雾锥角以及喷雾区域，从而对比出喷雾特性最优的生物柴油^[20]。

广安博之依据大量实验，总结出喷雾锥角与贯穿距的经验公式，如下所示：

（1.1）

（1.2）

（1.3）

其中， D为喷孔直径，为油束 分裂时间，为空气密度，为空气粘度，为喷射压力与环境压力之差，t为喷油时间。

1.3 乙醇/柴油混合燃料的理化特性

乙醇的物化性质与汽油接近，因此乙醇最先应用于汽油机上，已经有很多国家开始在汽油中添加适量乙醇，但是因为乙醇和柴油理化特性的差别，在柴油中掺混乙醇后还不能满足柴油机的性能要求。纯乙醇和纯柴油的物性如图1.1所示，乙醇的粘度、十六烷值、沸点和低热值均远小于柴油，并且乙醇具有很强的亲水性，而柴油憎水性较强，两者混合后易分层，形成乳浊液，因此必须添加助溶剂。随乙醇掺混比的增加，燃料的粘度、表面张力、低热值、十六烷值均减小^[21]。乙醇的含氧量高达35%以上，可以很大程度地减少柴油机的碳烟排放，燃烧更彻底且省油。柴油混合乙醇后，物性的改变使得喷雾效果更好，混合气的形成自然也更优。