乙醇喷雾稳定自燃所需的周围气体条件的数值研究

抽象

研究了高性能压燃式乙醇发动机控制点火技术的发展。在乙醇燃料中，乙醇是替代石油的一种很有前途的替代燃料。本研究旨在揭示乙醇喷雾自燃过程中混合物形成过程中的物理和化学现象。在我们之前的数值研究中，我们以喷雾内的空间过量空气比和温度分布的形式展示了气-油-乙醇混合气的形成过程及其从燃油喷射开始的时间历程。计算结果与基于喷雾穿透动量理论的理论分析结果吻合较好。通过与实验结果的比较，验证了计算的合理性。通过一系列的实验和数值研究，揭示了乙醇喷雾自燃性能差的原因，即：，由于喷雾混合气的燃料和热学特性比传统柴油具有更小的化学计量空燃比和更大的蒸发热，很难同时获得合适的浓度和温度。然而，无论是在实验还是数值分析中，都没有得到乙醇喷雾的自燃现象。下一步，我们数值研究了几种周围气体的压力和温度条件，以明确周围气体条件足以获得稳定的自燃。在计算过程中，考虑了湍流、雾化、蒸发和详细的化学反应，使用了商业CFD程序CONVERGE。本文讨论了在可接受的乙醇喷雾点火延迟条件下，稳定自燃所需的周围气体压力和温度，以及开发高性能压燃式乙醇发动机的可行性。

1.简介

不用说，自然和利用可再生能源已被全球能源和环境问题的情况下强调的诸如石油储备枯竭和气候变化。目前的社会和工业活动依赖于碳氢化合物燃烧。除了汽车行业，大量的石油在各种行业被消耗。重载油是用于在多种蔬菜，水果和鲜花正在成长，还用于农业和渔业产品的干燥，如茶叶，海带温室温度控制燃烧器的主要燃料。一种热泵具有更好的效率得到这样的低水平的热。用柴油发动机和热泵的热电联产系统的有效途径节约能源资源之一。这种高性能的柴油发动机的开发研究涉及推动基于生物酒精。除了车辆的动力单元，柴油机型高性能发动机柔性任何种的生物燃料包括生物乙醇可以适用于农业和渔业作为小尺寸的个人用发电系统。也就是说，它们可以是先前推出的热电联产系统的重要组成部分之一，也可以应用于作为巨大的发电设备的大型备份系统。稳定的电力供给也可以通过与任何其它自然能源利用的最佳组合来实现，例如太阳能，风能，和生物质如果上面提出的高性能醇柴油机显影。 When renewable biofuel is their all power resource, a sustainable community can be established, as shown in Figure1个. 尽管生物燃料生产需要电能和热能，但这种能源也可以由酒精柴油、太阳能和风能提供。因此，本研究的成功促进了可再生生物质能的推广，为解决世界范围内的能源和环境问题做出了巨大贡献。可持续社区的规模取决于能源供需关系。因此，在决定可持续社区的规模时，必须考虑生物燃料的原料量和生产力。与城市相比，农村地区具有更大的生物质能生产潜力（大规模生物质能种植）。这就产生了各种各样的新业务，与雇员的增加相对应；由于这种社会运动，每个当地社区的公民生活和工业活动都可以改变。特别是在泰国、印尼等亚洲国家，生物质能利用的研发已成为国家能源战略。如果上述引入的可持续社区出现在世界各地，生活方式和工业活动必须改变。虽然节能与经济增长是相互取舍的关系，但随着生物质能生产和转化技术的发展，这种兼容性似乎是可能的。这是作者所期望的未来形象，也是本研究课题的动机所在。

我们研究的目的是用于高性能压燃式发动机酒精建立可控点火技术。中酒精燃料，我们专注于乙醇，因为它是替代燃料替代石油的有希望的候选。乙醇柴油的发展最大的挑战是，由于众所周知的自燃质量差的点火控制。大量的酒精柴油的可行性研究是在20世纪90年代广泛开展。在乙醇柴油的研究和发展的历史，点火改进的接近方式是通过两个角度进行分类：一个是通过采用点火辅助设备，如电热塞发动机方面的措施[1个–4个]，火花塞[5个–7个，或加热面[八另一种是通过添加少量的点火改进剂[9个,10]。几乎所有这些研究都只是寻求最佳配置的点火辅助装置和添加剂的数量在每个检查引擎和他们的性能。作者以酒精喷雾稳定自燃条件为基础研究，并对该研究进行了集中报道。

2。以往的研究和目标

2.1条。酒精燃料自燃质量差的原因

作为自燃条件的一般理解，有在混合物形成过程中的两个要素。一个是浓度因子：混合物必须是在一个混合比率足以促进化学反应。另一种是温度系数：将混合物的温度必须超过一定的值，使得预燃化学反应被促进。基于这一认识，对于自动点火的浓度和温度因子的定义如下：

在等式中(1个),λ_提示表示喷嘴的平均过量空气比。过量空气比(λ）被定义为实际空气燃料比/化学计量的空气 - 燃料比;因此，在以下情况下λ = 1, mixture concentration is the stoichiometric air-fuel ratio,λ > 1对应于稀混合物，并且λ < 1表示丰富的混合物。T型_spm公司和T型_搞笑在方程（2个）分别表示燃料的喷雾和最小燃点的平均温度。数字2个示出了对瓦斯油和乙醇[喷雾混合物形成过程理论分析的结果11]. 这表明了从燃油喷射开始的混合气浓度和温度的历史，它们分别被评估为喷嘴的过量空气比(λ_提示)喷雾的平均温度(T型_spm公司)。的价值λ_提示基于Wakuri提出的喷雾动量理论计算[12]. 在这个理论中，喷雾被假定为喷射燃料瞬时蒸发的空气-蒸汽两相流。根据这一理论，喷雾的到达距离和过量空气率表示为从燃油喷射开始的时间的函数。如果上述引入的温度系数(T型_spm公司>T型_搞笑)当浓度因子(λ_提示 = 1) is cleared. Required heat that increases temperature of the spray up toT型_搞笑具体如下：

方程(三)分别对应于液相和气相的表观热，第二项是指蒸发潜热。变量(克_{FG是的dF4y2Ba})是喷射燃料的质量，也是时间的函数。平均温度(T型_spm公司）由下式求出瞬时热平衡被假定为满足：

从图上可以理解2个气油喷雾的自燃主要受浓度因素的影响，主要原因是T型_spm公司高于T型_搞笑当混合物浓度达到λ_提示= 1。相反，对于乙醇喷雾，T型_spm公司没有达到T型_搞笑当λ_提示 = 1，当T型_spm公司>T型_搞笑.理论分析该结果使我们能够对醇的喷雾，也就是在在混合物形成过程中的浓度和温度的因素的同时造诣难度自燃质量差的原因绘制一个假设由于较小的化学计量的空气 - 燃料比（一_第)更大的蒸发潜热(γ）的乙醇相比瓦斯油（见表1个)。如果这一假设是正确的，酒精喷雾剂的自燃质量必须得到改善，以延迟贫态和更快的温升。在此基础上，我们提出了热EGR(废气再循环)作为提高酒精喷雾自动点火质量的一种思路，并通过实验验证了热EGR在小柴油发动机上获得更短点火延迟的有效性。

通过上述研究，将自动点火的控制参数分为两个方面。一是燃料特性，特别是化学计量的空气-燃料比和蒸发潜热。另一个是周围的气体条件，如压力、温度和氧气浓度。在这五年中,每个自动点火控制参数的影响在ethanol-diethyl醚混合燃料的点火延迟(通过改变混合比率)由高速混合物形成过程的可视化实验研究了在定容燃烧室自燃,和3 d地图/数据库,表明大影响点火延迟为每个测试建立了燃料和报道13,14]。

2.2。目的

虽然乙醇喷雾的自燃质量差的原因基于我们前面的理论和实验研究揭示，我们只是观察到的喷雾混合物的形成过程中由阴影方法并表明点火延迟和周围的气体的条件下，与所述内部结构之间的关系喷雾仍停留在问题。为了开发的受控自动点火技术，喷雾混合物的形成过程高达自燃作为物理和化学现象已被揭示。目的本研究的，因此，是使数值从喷射内部瞬时空间混合物的浓度和温度分布和从燃料喷射它们的时间的历史的观点来看，清除乙醇喷雾的稳定自燃条件。

3.数值分析

3.1。计算域和网格几何体

恒定体积电加热室中，如图所示三(a)，在我们之前的研究中用于高速显示喷雾混合物形成直至自燃。计算域的大小，如图所示三（b）中，比所述燃烧室，以节省仿真时间的体积。然而，计算域的大小决定要足够大，以模拟物理和化学现象不喷雾的碰撞室壁。表格2个给出了燃烧室参数与计算域参数的比较。为了比较实验和数值分析的结果，喷油条件与实验相同。表格三示出的数值分析中使用的网孔的几何形状。T型he base grid size was 4 mm. A fine mesh of 0.5 mm was set in the expected area where mixture formation occurs. The entity of the fine mesh is cone shaped, as shown in Figure三（B）（浅的蓝色域），和它的几何形状呈现为表中的条目“FE（固定嵌入）细网”三. 数值分析中使用的商用CFD程序CONVERGE具有自动网格细化功能，称为“AMR”（自适应网格细化）。我们对速度、温度和化学物质采用了AMR，如表所示三.对于每个栅格点，AMR激活由“次网格标准”在同一网格比较速度，温度和化学物质的计算结果到其先前的时间步长的结果进行判断。一个minimum mesh size of 0.0625 mm was applied by AMR in the numerical analysis for correct calculation. The maximum number of mesh was approximately 1.5 million under meshing conditions mentioned above. The finer mesh which has around 2 million meshes was also examined, however, no longer the spatial resolutions of the solution and numerical results were not changed. Thus, mesh conditions in Table三被收养了。

3.2。控制方程和边界条件

在质量、动量和能量守恒定律下求解流场和温度场。在考虑流体可压缩性的情况下，采用三维连续性方程、Navier-Stokes方程和能量方程。燃烧过程的计算也采用了化学物质输运方程。采用有限体积法对上述控制方程进行了流场和温度场的数值求解。

计算区域边界处的流场采用无滑移条件。热边界条件也采用了壁面定律。初始气体状态与燃料喷雾的周围气体状态相对应。

3.3。物理和化学模型和分析条件

湍流模型采用大涡模拟。KH-RT模型结合了Kelvin-Helmholtz和Rayleigh-Taylor模型，用于燃料液滴的雾化和蒸发。计算中还采用了详细的化学反应模型。我们参考了Marinov提出的乙醇的化学动力学机理[15]，它已被赋予在劳伦斯Livemore国家实验室（加利福尼亚州，美国）的网站开放存取：https://combustion.llnl.gov/archived-mechanisms/ethanol.

表格4个还示出了分析条件。五种模拟的索引号2号。6分别为乙醇喷雾进行。数值分析的第一步，我们专注于周围管理参数的自燃中气体的压力和温度。T型hen, five simulations (No. 2–No. 6) were performed under the condition of constant oxygen concentration (21 vol.%, the same as that of normal air). Calculation of the mixture formation process up to autoignition for a gas oil spray, which is indexed No. 1 in Table4个，并与我们之前研究得到的实验结果进行比较，以验证数值分析中使用的模型。

4.结果和讨论

4.1。物理模型的验证

数字4个示出了混合物的形成过程起来自燃的比较为瓦斯油试验和数值分析之间喷雾。周围的气体条件 ,T型 = 800 K, and 21% oxygen concentration. Figure4个由四组可视化图像组成。上面的图像集显示了实验结果。在实验中，测试气体从一个炸弹供给到试验室（如图所示三的（a））到的压力的初始条件。加热前的初始气体压力是基于状态的恒定体积条件下的等式计算。初始气体温度通过K型热电偶测量。在室的气体压力是用应变仪型压力传感器测量，并且在实验期间它被监测。测试燃料被喷入燃烧室时的气体压力在加热过程中所指示的目标值。的喷雾混合物形成的可视化通过阴影法进行。T型he spray mixture formation process and autoignition phenomenon were recorded with a high-speed camera at 8000 fps. Recording was synchronized with fuel injection. The others are results of numerical analysis (from the top: shadowgraph image, excess air ratio distribution, and temperature distribution of the cross section along the spray axis). The numerical shadowgraph image was illustrated by the evaluation of the variableS公司定义为在三个方向上的二阶空间密度梯度的平方和的平方根，其由下式表示

虽然自燃时刻存在一帧差，但实验结果与数值计算结果吻合较好。从这个事实来看，计算中采用的物理和化学模型似乎是合理的。

4.2条。乙醇喷雾自燃混合物的形成

在第2号仿真的情况下（和T型= 800 K;见表4个)，没有观察到自燃。同时，在相同的气体环境条件下，实验未发生自燃现象。周围的气体压力值为5.5 MPa(5号),6.5 MPa(3号)和9.0 MPa(4和6号)对应于压缩压力的TDC CI引擎,以防其压缩比为19.5,22日和28日,分别吸入气体压力的假设为0.1 MPa和多方指数为1.35。在第5号(和T型= 1100k)和6号(和T型= 1200k)仿真，而在第三种情况下(和T型 = 1000 K）和4号(和T型 = 1000 K）模拟，未确认自燃。乙醇喷雾的自燃似乎受周围气体温度的控制，而与周围气体压力无关。为了正确认识自燃的物理化学机理，分析了喷雾内混合气的空间浓度和温度分布，并与Wakuri的动量理论进行了比较[12]，如图引入2个.

数字5个显示3号仿真结果(条件:和T型 = 1000 K），并且没有发生自燃的情况。数字5个(a)比较λ和T型从燃油喷射的数值计算和理论计算之间的历史。在数值分析中，λ和T型都是按面积平均值计算的最大值吗十-z轴在喷雾的横截面。与此相反，在理论情况下，科介绍2个，该喷雾假定为空气-蒸汽两相流动，注入燃料瞬间蒸发。瞬时热平衡也假定满足，喷雾的平均温度(T型_spm公司)是经过计算的。尽管λ数值计算结果和理论计算结果显示了相同的趋势。上的差异λCFD与理论之间的联系似乎归因于CFD计算中对雾化和蒸发的考虑。在这3号模拟之前，自燃预计发生在λ和T型因为T型_spm公司已达到乙醇的最低燃点(T型_搞笑= 636k)时，自燃浓度因子表示为λ = 1 was achieved by fuel injection, which corresponds to simultaneous attainment of autoignition-suitable concentration and temperature during the mixture formation process. However, autoignition was not confirmed in Figure5个（b） 由数字阴影图的可视化图像组成(S公司),λ和T型分配。未观察到由被认为是点火和燃烧的化学反应引起的体积膨胀和发热。在4号模拟中得到了类似的结果（条件：和T型 = 1000 K).

图6个（a） 以及6个（b） 展示5号模拟结果（条件：和T型= 1100 K)。图中可以清楚地看到，喷油时间结束时，温度急剧上升6个（一个）。一个t型第e same timing, volume expansion and temperature higher than that of surrounding gas up to 2200 K were observed, as shown in Figure6个（b）中。这个结果似乎是自动点火和燃烧的证据。T型he mean temperature of a spray cross section reached around 1000 K when autoignition occurred. This value is much higher than the minimum ignition point (T型_搞笑)的乙醇。由此可见，在高于5.5 MPa的周围气压条件下，乙醇的实际最小燃点似乎存在于900k ~ 1000k之间。在6号仿真情况下(条件:和T型 = 1200 K), as presented in Figure7个与5号发动机的模拟结果相比，由于掺气密度较高，点火延迟较短，得到了更快的稀薄混合气情况。这可以通过较早的λ = 1在足够的温度下进行化学反应的时间。

为了研究乙醇喷雾的内部结构，了解其自燃现象的物理和化学条件/机理，我们进行了局部分析λ和T型以乙醇最小燃点为假设条件的混合气浓度和温度同时达到自燃的分布T型_搞笑= 940 K。

图八和9个示出的第3号（条件情况下，上面所介绍的分析：和T型= 1000k)和5号(条件:和T型 = 1100 K) simulations, respectively. For each figure, the upper part indicates the localλ分配十-z轴和十-是的交叉区域。面积λ = 1 recognized as the autoignition condition in a sort of mixture concentration is coloured blue. The lower part corresponds toT型分布，以及更高的温度比所述局部区域T型_搞笑= 940k是橙色的。最下面的部分是放大后的重叠图像λ和T型分布在同一时间从燃油喷射。从图中可以确认八（在没有观察到自燃的情况下）没有发现两种颜色的重叠区域。相反，对于图中的情况9个(观察到自动点火情况)，在4.3 ms后识别出两种颜色的重叠区域(见重叠图像中的蓝圈区域)。这个时间与图中先前引入的急剧升温的时间相吻合6个（一个）。In addition to the timing, the overlapped region coincides with the region of temperature higher than 2200 K illustrated in Figure6个（b）中的燃料喷射结束之后。因此，似乎在上述的双色重叠位置和定时喷射的内部发生时自燃。基于此数值分析，乙醇喷雾的稳定自燃的条件似乎是区域中的存在λ = 1和T型>T型_搞笑 = 940 K同时满足。为了实现燃油喷射喷雾内的浓度和温度条件，要求周围气体温度高于1100 K。

Siebers和爱德华兹[16也建议周围气体温度大于1100k，用于稳定的酒精喷雾剂的自动点火。Liu等人[17]检查并报告了发动机的自燃特性n个-改变周围气体的丁醇喷雾_2个专注。其周围气体温度的实验条件为1000 K，但在初始气体温度为300 K、多变指数为1.35的假设下，1100 K的压缩温度要求压缩比大于40。假设初始进气压力为0.1 MPa，压缩气体压力达到14.5 MPa。传统的柴油机技术不需要如此高的压缩比，因为高压引起的摩擦损失会大大增加，效率也会降低。因此，通过简单的压缩似乎很难同时实现高于1100 K的压缩温度和约6.5–7.5 MPa的压缩压力，对应于约22–24的可行压缩比。在我们的数值分析中，在5.5 MPa的周围气体条件下获得了自燃，对应的压缩比为19.5，低于最新的柴油机；因此，通过预热提高压缩前的初始气体温度似乎是达到上述要求的有效途径压缩气体的压力和温度。这是建立可控点火技术的一个物理方面的想法。另一种方法是从化学方面，如加入少量的点火改进剂。Munsin等人。[18,19]报道了在乙醇快速压缩膨胀机上使用点火改进剂对乙醇燃烧延迟时间的影响。然而，添加剂改善自燃质量的机理尚未从化学角度揭示。对于真正的发动机应用，Kaiadi等人。[20个]提出PPC（部分预混燃烧）由双注入策略，并且它们通过使用柴油机以高EGR率（40％-70％）和吸入气体的预热报道的点火，燃烧和排放特性。他们的点火和燃烧特性的结果是合理的，我们认识到需要条件的，乙醇喷雾的稳定自燃。虽然PPC可以是用于乙醇CI发动机的解决方案之一，发动机工作范围仍然是有限的，并从混合物形成到自燃的物理和化学机制必须为它们的技术的进一步改进被清除。作者，因此，认为需要以发展的可控点火技术建立高性能CI酒精引擎的进一步基础研究。

5。结论

（一）乙醇喷雾稳定自燃的条件是区域的存在，其中空气过剩率（λ) = 1，同时满足乙醇最小着火点以上的温度。（二）T型he actual minimum ignition point of an ethanol spray under the high pressure condition such as compression pressure of conventional diesel engines is expected around 940 K, and 1100 K is recommended as compression gas temperature (entrained gas temperature) to achieve 940 K inside a spray by fuel injection.

6。今后的工作

表格5个将分析条件矩阵表示为周围气体压力的组合( )和温度( )。我们决定了和根据我们以前的实验结果，以明确和组合稳定时发生自燃用于乙醇喷雾周围的气体的条件。目前，仅五模拟完成;因此，第一个任务作为今后的工作是完成此矩阵指示用于乙醇喷雾的稳定自燃所需要的周围的气体的压力和温度，和化学反应将在以明确什么反应路径是必要/重要待分析诱导燃烧的链反应。上的乙醇喷雾的自燃周围的气体的氧浓度的效果将数值研究作为下一步骤。除了这个数值分析，实验（喷雾可视化测试）也将被用于乙醇 - 乙醚混合燃料和纯乙醇通过使用原始设计制造RCEM（快速压缩和膨胀机），可以在相同的操作进行高压和传统的柴油发动机的温度条件。当乙醇喷雾的自燃现象是从物理和化学方面，合理和受控点火技术可行的想法，诸如适当的进气流，形状燃烧室，燃料喷射（喷嘴尺寸，压力/持续时间的显示/定时，并且多级喷射），以及适当的EGR率可以提出，并且它们的效果是通过进一步的数值分析和实验检验。

命名法

c类:	特定热（kJ /（千克·K））
克:	质量（kg）
一第:	化学计量空气-燃料比(-)
n个:	多变指数（ - ）
:	压力(MPa)
问:	要求/提供的热量(kJ)
S公司:	数值阴影的指数定义为三个方向上的二阶空间密度梯度的根和的平方
T型:	温度(K)
t型:	时间(女士)
ε:	压缩比（-）
:	过剩空气比(-)=实际空气-燃料比/化学计量空气-燃料比
γ:	蒸发潜热（kJ / kg）的。

标

一:	空气（夹带气体）
乙:	沸点
FG是的dF4y2Ba:	汽油
:	气相
搞笑:	点火
一:	液相
o型:	初始条件
SPM：	在喷雾平均值
提示:	喷嘴。

缩略语

计算流体力学：	计算流体动力学
置信区间：	压燃式
废气再循环：	废气再循环
PPC公司：	部分预混燃烧
TDC:	上死点。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据可根据要求从相应的作者处获得。

泄露

本文内容在2018年12月11-14日于泰国普吉岛举行的第九届泰国机械工程师学会机械工程国际会议上作了口头介绍。

利益冲突

作者声明，这篇论文的发表没有任何利益冲突。

致谢

作者特别感谢日本教育、文化、体育、科学技术省和日本科学促进会作为科学研究补助金提供的资金支持（16K06135），作者还感谢A.Umeno先生在创建图形和可视化数值计算数据方面的帮助。

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