柴油清净剂对发动机性能影响综述

论文导读:：柴油机工作中转速突然降低。柴油清净剂对发动机性能影响的试验与模拟计算研究。
论文关键词：柴油机，清净剂，性能，试验，模拟

　　序言
　　汽车排放标准不断加严和现代发动机技术的进步对车用燃料清净性提出了越来越高的要求，车用柴油清净性对汽车工作过程的影响越来越突出[1]。由于柴油内的烃类成分的碳链长，含有不饱和烃等原因[2]，在内燃机中通常难以燃烧完全，尾气烟度大，易积炭，造成热效率不高，极大地污染了生态环境[3]。另外，由于我国目前炼油工业的现状，柴油中催化裂解组分增多，尽管加入了抗氧剂，在长期的存储中，也会发生氧化反应而生成不溶性胶质、残渣和漆状沉积物，这些杂质很容易堵塞过滤器和喷嘴，严重影响燃油喷射和发动机工作状况，使燃烧恶化，油耗增加，导致其动力性、经济性下降及排放恶化[4]。而清净性好的车用柴油能使汽车在运行中自动清洗发动机供油系统，清除积碳和沉积物，保持燃油喷嘴的清洁和燃油喷射正常，使汽车发动机工作平稳，保持优良的工作特性[5]。
　　1试验研究
　　1.1试验台架设备
　　1.1.1 发动机
　　以S195柴油机为研究对象，计算工况为柴油机标定工况，其参数如表1所示。
　　表1 发动机参数
　　

1.1.2 测试仪器
　　碳烟分析仪：FBY-1型柴油机烟度计佛山分析仪器厂；
　　HC和CO分析仪：MEXA-441FB型分析仪日本URAKAWA TRANS IND.CO.LTD；
　　NOA-7000型NOX排放分析仪：日本岛津公司；
　　CW-37型电涡流测功机：浙江遂昌动力测试设备厂；
　　日本小野FC-024容积式油耗仪：日本小野公司；
　　DHF-12积分电荷放大器：北戴河无线电厂；
　　SYC-250/1000型压力传感器：上海内燃机研究所；
　　排气温度、水温、机油温度传感器及仪表；
　　LEC-36BM-G05D编码器：长春第一光学仪器厂；
　　AR1100A高速数据采集仪：日本Yokogawa ElectricCorporation。
　　1.1.3发动机测试装置
　　S195柴油机试验台架布置示意图如图1所示，台架 CAT测试系统如图2所示。软件是通过软件模块控制PCI总线系统实现所需功能，完成数据采集、数据处理和数据显示。操作系统采用Windows XP，开发工具采用NI公司LabWindows/CVI软件。
　　图1 试验装置示意图
　　Fig.1 Schematic of experimental set up
　　1.1.4 试验燃料
　　在柴油机动力性、经济性的台架试验中，共使用了两种燃料：普通柴油和加剂柴油。所用普通柴油为符合国标的0＃柴油；柴油清净剂CAUJ23，以生物柴油为载体油，采用聚异丁烯丁二酰亚胺为特征组分，生物柴油与聚异丁烯丁二酰亚胺的体积比为4:1。生物柴油为含氧替代燃料，可以促进燃烧 [6]。加剂柴油中，柴油与CAUJ23柴油清净剂的体积比为500：1，也就是说，CAUJ23清净剂的添加浓度为2 000×10-6（v/v）。这是所查阅的文献中，最大的清净剂添加浓度，旨在尽量使清净剂的作用效果明显化。
　　1.2 试验研究结果分析
　　1.2.1加剂柴油对发动机动力性的影响
　　采用LabWindows缸压测试系统进行压力测量，每一工况下的各项测试至少3次，平均若干次测试结果后分别得到基础油和添加清净剂后的柴油的压力曲线。基础油和加剂柴油的测试缸压(340°CA～400°CA)见 图3所示。
　　
　　图3 不同曲轴转角下基础油和加剂柴油的测试缸压变化(340°CA～400°CA)
　　Fig.3 The testing cylinder’s pressure of basic and thecleaning diesel-oil at different crank angles
　　从图3试验压力曲线可以看出，加剂柴油的最高压力比基础油最高压力升高1.8%；这一方面是由于本试验中所采用的CAUJ23清净剂以生物柴油为载体油；另一方面，则由于采用了柴油清净剂，燃油雾化效果好，燃烧充分。
　　1.2.2柴油清净剂对发动机经济性的影响
　　基础油和加剂柴油的燃料消耗量与耗油率曲线分别见图4所示。从燃油消耗率曲线看到，同一负荷下燃用加剂柴油的发动机燃油消耗率降低，这主要是因为柴油清净剂具有良好的分散清净效能，缸内压力高，燃油雾化性，燃烧充分，因此其经济性好，由图4可以看出，在中等负荷工况下（50%～70%）机械论文，加剂燃油的经济性最好，耗油率相比基础油下降3%左右。
　　
　　(a)燃料消耗量 (b)耗油率
　　图4 不同负荷下基础油和加剂柴油的燃料消耗的对比
　　Fig.4 The fuel consumption of basic and the cleaning diesel-oil atdifferent load
　　2 模拟计算研究
　　2.1 数学模型的建立
　　2.1.1初始条件
　　在模拟计算过程中，发动机的燃烧为瞬态问题，需要给出计算点的所有流动变量的初值；对于温度、压力、活塞运动速度等参量在某一时刻的瞬态值，只要计算步长设置合理，计算能够收敛，收敛精度足够高，就可以得到足够精确的计算值中国论文网。
　　2.1.2 边界条件
　　壁面速度边界条件有无滑移、自由滑移和湍流壁面率等几种，本文采用湍流壁面率条件，即壁面流体速度等于法向壁面速度。壁面法向速度的分布为：
　　（1）
　　式中，——沿壁面法向距离；
　　——距离壁面距离处的流体切向速度；
　　——流体运动粘度；
　　——剪切速度，与壁面切应力和流体密度有关，即
　　；（2）
　　壁面湍流边界条件在近壁函数方程中详细叙述。湍流壁面函数下，单位壁面面积的热流损失为：
　　（3）
　　壁面温度条件有绝热壁和固定温度壁面[8]。这里采用固定温度壁面条件，壁面传热量由Reynold类比准则确定：
　　（4）
　　式中，——气缸壁面温度；
　　——层流普朗特数；
　　——普朗特数。
　　2.1.3 模拟计算的方法与过程
　　首先，利用GAMBIT网格生成器，采用结构网格与非结构网格结合的混合网格生成技术，对S195柴油机的几何造型进行适当的网格生成。划分网格后，根据初始条件和边界条件，进行数据输入。由于缸内物质状态在时刻变化，因此采用二阶隐含式非稳态计算。前两项输入可以从prePDF和GAMBIT处理后直接读入，初始条件和边界条件的输入过程如下：
　　 　　①速度边界采用湍流近壁，温度边界采用固定温度壁面，环境压力为大气压力；
　　②输入计算开始曲轴转角和终了曲轴转角，设定计算步长。最终确定计算起点为223°CA，计算终点497°CA，计算步长为1℃；
　　③输入发动机结构参数，包括曲轴转速2000r/min气缸直径95mm、活塞冲程115mm、连杆长度210mm等；
　　④燃油颗粒采用油滴碰撞和油滴破碎复合特性，喷油开始于上止点前10°CA，持续12°CA；喷雾锥角20°CA；喷油速度225m/s；喷孔直径0.26mm；气缸壁面温度552℃；初始油温300k；
　　⑤设定误差精度为10e-03，各个控制方程满足其精度才可判为收敛，否则发散。
　　2.2 模拟结果分析
　　图5为基础油在不同的曲轴转角下其缸压的模拟结果。
　　
　　(a) 353°CA (b) 360°CA
　　
　　(c)362°CA (d)370°CA
　　图5 不同的曲轴转角下基础油的缸压的模拟结果
　　Fig.5 The simulation cylinder’spressure of basic diesel-oil at different crank angles
　　图6为加剂柴油在不同的曲轴转角下其缸压的模拟结果。
　　
　　(a)353°CA(b)360°CA
　　
　　(c)362°CA(d)370°CA
　　图6 不同的曲轴转角下加剂柴油其缸压的模拟结果
　　Fig.6 The simulation cylinder’spressure of the cleaning diesel-oil at different crank angles
　　从以上压力变化过程图（图5至图6）中可以看到，在压缩阶段，压力逐渐上升，在燃料被引燃以后，副燃烧室内压力迅速升高、膨胀，推动活塞向下运动。由于加剂柴油对喷嘴具有良好的清净效果，且雾化分散性好，因此喷雾射程大，燃烧均匀、充分，从而导致压力、温度都比燃用基础油时略有升高，通过模拟计算得到的结果也验证了这一点。
　　设定曲轴转角增幅为1°CA，输出计算得到的设定曲轴转角下的对应平均缸压值，可以得到缸压的变化曲线见图7所示：
　　
　　图7 不同曲轴转角下基础油和加剂柴油的模拟缸压曲线(340°CA～400°CA)
　　Fig.7 The simulation cylinder’spressure of the basic and cleaning diesel-oil at different crank angles
　　从计算得到的示功图可以看到，不论柴油加剂与否，燃料的最高压力点大约都在上止点后6~7°CA。燃用加剂柴油的最高缸压比燃用基础油最高缸压升高大约3.1%。
　　3模拟计算与试验结果的比较分析
　　对于基础油和加剂柴油进行模拟后，与试验曲线进行对比，其缸压的变化结果如图8所示。
　　
　　 (a)基础油 （b）加剂柴油
　　图8 不同曲轴转角下基础油和加剂柴油缸压模拟计算与试验结果比较
　　Fig.8 The comparison of the cylinder’spressure of the basic and cleaning diesel-oil at different crank angles
　　从以上两图中可以看到，试验测量缸压略小于计算值，这是由于测量的通道效应引起的测量误差导致。但是，总体来说，计算得到的缸压与实际测得的缸压吻合情况较好。
　　4 结论
　　（1）通过柴油机台架试验与模拟计算得出添加清净剂后的柴油最高气缸压力比基础油最高气缸压力约高出1.8%～3.1%左右；
　　（2）通过柴油机台架试验得出在中等负荷工况下（50%～70%），加剂柴油的经济性最好，耗油率相比基础油下降3%左右。
　　（3）通过模拟计算看到加剂柴油与基础油燃料的最高工作压力点大约都在上止点后6°CA ~7°CA之间。

参考文献：
[1]鲍晓峰．中国在用汽车排放标准与控制措施．北京：汽车发动机高层研讨会．2005
[2]李仙粉，任福民等.柴油清净剂改善柴油机有害排放的研究.内燃机车，2003（6）
[3]郭瑞莲，鲍晓峰，岳欣等.车用乙醇汽油对发动机进气系统沉积物的影响.汽车工程，2007.8
[4]邵明龙．柴油清净剂对汽车排放分析研究：[博士学位论文]．北京：中国农业大学，2009
[5]杨健.柴油品质对车辆排放的影响分析.交通节能与环保，2006（2）
[6]郭和军，王煊军，刘治中，汽油清净剂聚异丁烯胺类的研究进展[J] ，精细石油化工，2001，(03)
[7]岑可法，姚强，骆仲泱等，高等燃烧学，杭州：浙江大学出版社，2003
[8]卢美秀.柴油机燃烧过程多维数值模拟分析研究：[硕士学位论文].北京：北京交通大学，2005