LPG_柴油双燃料发动机燃烧产物的分析

1 O 2 O 2 1 N 2 N 2
K 2=
x 2p 1 x8
1 2 2 1 2 2
12
K 10 p
i
1 2
1
x8
1 2
= 0
x 3p K 3= 1 x 11
∑x i= 1
1= 0
x5 1 1 H 2 + O 2 O H K 5= 1 2 1 2 2 x4 x8 x7 1 1 N 2 + O 2 NO K 7= 1 2 1 2 2 x 8 x 11
2 rx 10 1 1+ 1 2 1 K 10 p x 8 n + 3. 6q
2
( 15)
根据文献 [ 1 ～ 3 ], 有
1 2 x 1p 1 H 2 H K 1 = 1 2 2 x4
= 0
( 7) ( 8) ( 9)
2
K3 2 r 1 x 10 1 2 + K 7 x 8 1 2 x 11 1 2 + 2x 11 1+ 1 2 x 11 n + 3. 6q p
x 3 + x 7 + 2x 11 = 2 r1 x 13 x 12 = r2 x 13
x 10 1 2 1 2= 0 K 10 p x 8
1 2
K2 12 x9 x 10 + K 5x 81 4 1 2 1 4 + 1 2x 8 1 2 1 2+ p K9 p K 10 p x 8
K 7 x 8 1 2 x 11 1 2 + 2x 8 + x 9 + 2x 10
F
, r1 =
K 9 p 1 2 x 8 1
( 2) ( 3) ( 4) ( 5) ( 6)
2
9; 9. 2q 1+ n + 3. 6q
x 6 + x 10 = ( n + 3. 6q ) x 13
K 10 p 1 2 x 8 1
2
H 守恒 x 1 + 2x 4 + x 5 + 2x 9 = (m + 9. 2q ) x 13 O 守恒 x 2 + x 5 + x 6 + x 7 + 2x 8 + x 9 + 2x 10 = 2 rx 13 N 守恒 A r 守恒
( 6) 及式 ( 14) , 可得初始值如下:
x’ 6= x’ 4=
1 2 ( n + 3. 6q ) K 10 p 1 2 x 8 ’ x’ 13 1 2 1 2 1+ K 10 p x 8
其值可从有关文献查得。 将式 ( 2 )～ ( 13 ) 整理成与 x 8 , x 9 , x 10 和 x 11 有关 的函数, 可得:
基金项目: 荷兰政府资助项目 ( PESP 99251 3002065) 作者简介: 张铁 ( 1968- ) , 男, 湖南长沙人, 讲师, 博士, 主要研究方向: 车用发动机、 自动化控制技术。 收稿日期: 2001204225
产 物 有 12 种, 即 H , O , N , H 2 , O H , CO , NO , O 2 , H 2O , CO 2 , N 2 和 A r 等, 其摩尔分数依次用 x 1～ x 12 表示, 柴油的分子式为 C nH mO l。 由于燃料中的氧原 子含量少, 在实际分析计算中可以忽略不计。 进行燃烧产物分析时, 一般首先分析计算燃烧 产物中 H 2 , CO , O 2 , N 2 的摩尔分数, 然后再通过反 应平衡式计算出其他产物的摩尔分数。 在使用M a t 2 lab 5. 3 进行编程时笔者发现, 在温度低于 1000K 时燃烧产物中的部分组分的摩尔分数更小, 因此, 若 按传统方法先计算 H 1 , CO , O 2 和 N 2 的含量再求其 他组分的含量, 则可能 H 2 , CO 含量太低而造成计算 偏差过大。 为了减少误差, 笔者提出在先对燃料燃烧 后的主要产物 O 2 , H 2O , CO 2 , N 2 进行分析求解的基 础上, 再求解其他低含量燃烧产物的新方法。
( 11)
x9 1 ( 12) O 2 H 2O K 9 = 1 2 1 2 2 x 4x 8 p x 10 1 ( 13) CO + O 2 CO 2 K 10 = 1 2 1 2 2 x 6x 8 p 式中, K 1～ K 10 为平衡常数, 它是温度的函数,
H 2+
假设开始燃烧时产物中的自由基 H , O , N , O H 一旦产生即与其他气体反应, 即假定开始燃烧时燃 烧室中没有自由基 H , O , N , O H 存在, 由式 ( 2 )～
1 燃烧产物分析
1. 1 燃烧反应方程
燃烧室中燃烧是 L PG 与柴油同时燃烧, 由于 L PG 中的主要成分是丙烷和丁烷, 根据丙烷和丁烷 的混合比例, 可得 L PG 的分子式: C 3. 6 H 9. 2 , 因此燃 烧反应式为:
内燃机 2001 年第 4 期
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环保・节能
x 13 C nH m + qC 3. 6H 9. 2 +
4n + m + 23. 6q O 2+ 4F
x 6=
x 10 1 2 1 K 10 p x 8
1 2
2
78 1 N 2+ A r 21 21 x 1H + x 2O + x 3N + x 4H 2 + x 5O H + x 6CO + x 7NO + x 8O 2 + x 9H 2O + x 10CO 2 + ( 1) x 11N 2 + x 12A r 式中, x 13 为产生 1m o l 燃烧产物所需要的燃料
x 1= x 2= K 1x 9 1 2 1 p K9 x8
3 4 1 2 4
(m + 9. 2q ) x ’ 13 1 2 2 ( 1+ K 9 p 1 2 x ’ 8 ( 16)
K2 1 1 2x 8 p
2
x’ 11 = r 1 x ’ 13 x’ 12 = r 2 x ’ 13
2
K3 1 x 3 = 1 2 x 11 p x 4= x9 K 9p
2K 10 p x ’ + n 8 1 2 + 1+ K 10 p 1 2 x ’ 8 1 2 1 2 K 9p m x ’ 2x ’ 8 8 ( 18) - 2 r= 0 1 2 1 2 + x 13 2 1+ K 9 p x ’ 8 在分析计算中, 首先根据文献 [ 1 ] 和 [ 2 ] 所述的 方式, 给定 x 13 的初始值 x ’ 13 , 再由式 ( 17 ) 计算出 x 9
Ana lys is of L PG d iesel D ua l- fuel Eng ine Com bustion Products
ZHAN G T ie, X IE Cun 2x i,W E I A n 2he
(D ep t. O f M echano 2electron ic Engineering, Sou th Ch ina U n iversity of T echno logy, Guangzhou 510640, Ch ina ) Abstract: In th is p ap er, the chem ica l equ ilib rium equa tion of the com bu stion of L PG diesel dua l2fuel engine is re2 sea rched, and a ca lcu la ting p rogram fo r ana lyzing the m o le fraction of com bu stion p roducts of L PG diesel dua l2fuel engine is set by u sing M a tlab 5. 3, thu s a new m ethod fo r ob ta in ing the com po sition of com bu stion p roducts is p re2 sen ted. Ca lcu la tion and exp eri m en t resu lts show tha t the m ethod p resen ted in th is p ap er is co rrect and fea sib le. Key words: dua l2fuel engine; com bu stion; com bu stion p roducts
引言
随着社会经济的发展, 空气污染问题愈来愈成 为一个威胁人类健康的大问题。 汽车发动机的排放 是主要的空气污染源。 目前, 全世界的汽车保有量约 为 6. 3 亿辆, 它们每年向大气排放有害气体约 3 亿 多吨, 这些气体中含有 CO , NO 等有害成分, 严重威 胁到人类的健康。 L PG 柴油双燃料混燃汽车能够很 大程度地降低尾气排放, 因此近年来受到了人们的 广泛重视。 人们对双燃料发动机的燃烧过程及燃烧 产物从多方面进行了分析。 但是, 传统的方法对燃烧 产物的组分分析存在较大的误差, 鉴于此, 笔者提出 了一种新的分析计算燃烧产物组分的方法。 发动机燃烧室内燃料的燃烧是十分复杂且短暂 的过程, 国内外学术界对该问题的研究一直表现出 较大的兴趣。 比较传统且典型的分析是将燃烧作为 是一个短暂的、 瞬间完成的过程[ 1～ 3 ] , 柴油燃烧后的
78 1 r , r2 = r 21 21 由于燃烧反应过程中原子数守恒, 故有:
将式 ( 14) 代入式 ( 2)～ ( 6) 并整理得: