核燃料循环论文（精选3篇）
核燃料循环论文 篇1
1 引言
随着国际核电复苏,天然铀的资源和价格变得颇受世界关注。与此同时,随着我国“积极 发展核电”方针和2020年达到4000万千瓦核电装机容量目标的提出,我国天然铀对核电的支持保障力以及天然铀的资源储备能力和价格,也成为国人关注的焦点。本文通过分析世界天然铀的储量和价格变化,来透析我国铀矿资源开发所应采取的措施。
核能是清洁的能源,核能生产的全过程只产生很小的废物量,对生态环境造成相对较小的污染,是属于真正实现少投入、高产出、低污染的“绿色技术”体系。因此,我国发展核电成为重点,生产浓缩铀进行商用成为发展的核心。
核燃料循环产业主要指核燃料的生产,包括从采矿一直到废料处理的整个环节。核燃料循环产业具有高度政治敏感性和战略性,包括国际上严格控制的核心技术,如铀浓缩技术,这是有核国家的标志之一。因此,有效保护核燃料产业并实现自主化,不仅出于经济利益考虑,也是保证我国核大国地位的必要手段。
目前我国核燃料产业整体还处于初级阶段,在5个核大国中生产能力仅占3%-5%,我国自产铀约能满足70%的需要,其中30%依靠进口。各段的技术发展也很不均衡。根据核电中长期发展规划,到2020年,全国核电运行装机容量将由目前的700万千瓦争取提高到4000万千瓦。这意味着,在未来10年,大陆每年要开工建设3台以上核电机组,核燃料循环各环节生产能力到2020年,要在现有基础上提高46倍。而在规划背后,中国面临的是铀矿资源大量短缺的残酷现实。据可供查证的资料表明,大陆探明的铀矿大约有7万吨。以此计算,中国现有核电厂每年需要铀1500吨,当40座核电站建成后,每年需要铀7500吨。现有的铀资源将在不到10年内消耗殆尽。因此中国将继国储粮、国储油之后建立的第3个储备机构——天然铀国家战略储备和企业商用储备体系。矿产战略储备在国际上是一种通行做法。
目前世界上有包括美国、日本在内的10个国家建立了战略矿产储备制度。建立战略储备体系的目的无非有两个,其一是保证国家安全,应付战争等突发事件;其二是经济安全,维持市场稳定。[1,2,3,4,5]
铀资源是一种高度敏感的战略资源,在国际合作方面存在很大的政治风险,政府层面应加大协调力度,加大储备铀来源。对于加强我国铀资源的储备力度,优化核燃料循环系统的战略分析,目前还未有系统的具体的关税配额的相关研究。基于以上几点点,本文在铀资源储备模型的建立下进行了关税配额的分析,在模型中对是否实行关税配额的情况进行比较,来反映对国外铀浓缩产品实行关税配额后对我国消费者剩余和国家储备安全成本的影响。最后,根据2001-2009年国际铀市场的实际数据,对实行关税配额后的铀资源储备进行了定量研究,着重分析了我国为了优化核燃料循环系统时是否应该实行关税配额的问题。[6,7,8]
2 模型的建立
我们假定铀资源储备分为四种状态,分别为(1)供给正常的情况下的供给曲线为S(p);(2)铀资源的正常生产储备为S(p)-R;(3)当库存为空,供给中断的时候,此时的供给曲线为S(p)-A;(4)为了满足核电的需要,从储备中拿出铀资源对核电站进行供给,此时的供给曲线为S(p)-A+L。其中R为铀资源储备的增加数量,A为供应减少的数量,L为铀资源储备的减少数量。同时P1、P2、P3、P4表示这四种状态存在的概率,p1、p2、p3、p4表示这四种状态时的铀资源价格,δ、ψ分别表示铀资源正常供应和中断的平均时间,假设我国的铀资源的需求函数为
我们建立了消费者剩余函数的模型为:
Fi(p)=q*(p-p*)+∫
此时在这四种状态下而引起的价格变化所带来的消费者福利损失的数学期望是:
因为第一种状态是正常供应状态,p1=p*,所以F1(p)=0,即其消费者福利的损失为零,所以上式不包含第一种状态。
消费者剩余由价格变化区间的需求函数的积分来决定。同时消费者剩余函数是是国内和国际消费者剩余的总和,若对进口铀资源不实行关税配额,那么国际、国内的铀资源的价格相等,如图1所示。国内铀资源价格会因为进口关税配额的变化而变化,但是国际铀资源的价格却不会因为关税配额的变化而变化,可以看出在计算是否实行关税配额国内铀资源价格和国际价格是不同的,由于实行了进口关税配额会导致国内的铀资源的价格高于国际价格,从而增加了国内的铀资源安全成本。
如果对进口铀资源实行关税配额时,那么消费者剩余增加的部分就是其损失值,这就导致了社会总福利的流失,损失大小就是图1和图2的消费者损失函数的差值,即
∫
这是由关税配额造成的。因为对进口的铀资源产品实行了关税配额,那么就会导致国内铀资源价格高于国际铀价,这就使国内的消费者剩余函数增加,从而增加了国内铀资源的安全成本。
当不对铀资源产品进口进行关税配额时,消费者剩余增加的部分就是实行进口关税配额后消费者剩余增加的损失值,这会导致国民收入的流失,消费者剩余将会减少,会降低我国的安全成本,同时相应的铀资源的价格也会下降。相反,如果对进口铀实行关税配额,那么会使国内的消费者剩余函数增加,从而增加了国内铀资源的安全成本。
3 实证分析
下面,我们结合国际铀市场上2001～2010年国际铀价和中国铀资源需求的历史数据,对上述模型进行实例分析。
根据上图的数据,我们建立了铀资源的需求函数:D(p)=-36+94p-0.2;同时消费者福利损失的期望为:
我们对消费者福利损失的期望进行求导得出:E′(p)=-102<0;由于E(p)对于p是一个单调递减的函数,因此随着p的不断增加,消费者剩余就会减少,从而可以得出当对进口关税配额的增多,同时相应的铀资源的价格也会下降,实行进口关税配额后消费者剩余增加损失值,这会导致国民收入的流失,消费者剩余将会减少,会降低我国的安全成本。模型结论表明我国应加大国际合作的力度,实行“走出去”进行海外铀资源开发以补充供应国内市场需求,形成充分利用国际、国内“两种资源、两个市场”的良好格局,这样可以适当地减小国家铀资源战略储备的规模,有助于增强本国的国际地位,从而在国际政治上占有更有利的地位。
4 结论
随着国内加大铀资源的勘查、开采力度,通过国际合作“走出去”进行海外铀资源开发以补充供应国内市场需求成为重要方面,形成充分利用国际、国内“两种资源、两个市场”的良好格局。本文根据国内大力发展核电产业,并且铀资源相对匮乏的情况下,通过铀资源储备模型的建立,在对国际铀进口合作进行关税配额后进行了分析,研究关税配额对我国铀储备和消费者福利的影响,从模型的角度分析了关税配额政策对铀资源储备策略的影响。最后,利用2001～2009年铀市场的实际数据,对进口铀产品关税配额进行了实例分析。结果表明, 进口铀产品的增加能有效降低消费者剩余,并促使国家铀资源最优储备规模减少,最终会降低国家的铀资源安全成本;关税配额政策是铀资源储备的不利因素;关税配额的限制将导致国内铀产品价格高于国际铀产品的价格,并使国内的消费者剩余增加,进而增加国内总的铀产品的安全成本,同时铀产品进口配额的减小将会引起国家石油储备规模的变大,并将引起国家铀资源安全成本的增加。
鉴于中国在建立铀资源战略储备体系的不成熟性,相关的数据也相对较少,因此文章的结论需要进一步的探讨和研究。因此,要想精确地分析铀资源的进口和关税配额政策对中国铀资源储备策略的影响程度,就需要进一步结合中国具体的数据来确定相关的参数,并对本文所构建模型展开深入的研究,这对进一步优化核燃料循环系统,完善中国铀资源储备体系有着重要指导意义,因此本文的实证分析有待进一步研究。
参考文献
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核燃料循环论文 篇2
甲醇作为车用发动机代用燃料的一种,在实际应用中,采用掺烧方式可以在一定的工况范围内具有良好的经济性[1]。车用发动机如果能根据运行工况来选择最佳性能的甲醇/汽油混合燃料,理论上可实现最佳的匹配性能。本文建立了某款乘用车采用不同甲醇/汽油混合燃料的动力总成模型,研究了车辆在NEDC运行模态下发动机的负荷变化情况,以经济性为基础对比了采用不同混合比例的甲醇/汽油灵活燃料的油耗,制定了不同发动机工况范围选用不同灵活燃料的控制策略。
1灵活燃料选择策略
灵活燃料发动机对燃料有很强的适应能力,理论上可以用任意掺合比的甲醇/汽油,但由于在动态工况很难实现发动机最佳的燃烧效果,而且甲醇/汽油的混合比例难以精确控制和实现实时变化,所以只能选择有限混合比例的灵活燃料。根据实际运行情况,本课题提出了5种混合比灵活燃料,M0(纯汽油)、M15(甲醇体积分数15 %)、M50和M85和M100。试验采用针对不同混合比例灵活燃料而改进的JL479QA发动机,并测量了油耗特性场。
与电控汽油机相比,灵活燃料发动机控制单元不仅要对传感器信号进行数据处理,控制燃料喷射时间、燃料喷射量、点火时间等,同时需要根据发动机工况选择灵活燃料种类,控制燃料供给系统提供最佳混合比例的燃料。从控制策略角度,关键是要判断发动机处于何种工况需求,可以通过车辆使用要求来确定发动机工况,制定燃料的选择策略。
在理论上1个发动机工况可以选择1个最佳的灵活燃料混合比,但是发动机在进行燃料切换时,由于燃料理化性质的差异容易造成缸内燃烧不稳定,同时对油耗和排放造成不利影响,因而要在发动机某工况区域内保证燃料的一致性,即需要对发动机工况范围进行划分,在不同区域内选择对应的灵活燃料。
根据上述分析,一方面需要建立发动机工况点与车辆运行状态的关系来选择燃料种类,另一方面需要合适的车辆道路循环来对比和评价不同发动机工况范围内各种燃料的经济性。对于轻型汽车,国标中采用NEDC循环进行测试。图1为燃料选择策略示意图。
2模拟计算
本文以某汽车公司的乘用车为例(表1),利用Cruise软件建立动力总成模型(图2),选择M0和M85这2种燃料进行了计算和比较。M0和M85的发动机油耗特性如图3、图4所示。
2.1发动机工况范围划分
按照NEDC循环要求,发动机的运行频度如图3、图4所示。首先按照汽车行驶工况(驾驶员愿望)换算成发动机的运行工况,根据灵活燃料的经济性范围来选择采用何种比例的混合燃料。根据初步分析比较,这里以发动机转速1 700 r/min,2 700 r/min和扭矩30 N·m为界限将发动机工作范围分为Ⅰ～Ⅵ 6个区域(图3)。
2.2NEDC对应的循环工况
对应所划分的6个区域,在NEDC循环中找出对应于这6个部分的工况。
发动机转速与汽车行驶速度之间的关系式为
式中,ua为汽车行驶速度,km/h;r为车轮半径,m;n为发动机转速,r/min;ig为变速器传动比;i0为主减速器传动比。
无爬坡时汽车行驶方程式为
式中,Ttq为发动机扭矩,N·m;ηT为传动系的机械效率;G为汽车重量,N;f为车轮阻力系数;CD为风阻系数;A为迎风面积,m2;δ为汽车旋转质量换算系数,δ>1;m为汽车质量,kg;undefined为行驶加速度,m/s2。
将NEDC循环分解得到的6部分循环如图5所示。按照图示顺序,分解得到的6部分循环简称为第I、II、III、IV、V、VI循环。
3计算结果及分析
在Cruise中设定计算任务,分别采用M0和M85燃料运行6部分循环,得到对应的油耗值(表2)。第I循环中由于车辆频繁加速,所以其百公里油耗较高,而第VI循环为单一的减速过程,所以油耗值很小。由于甲醇的热值只有汽油的一半左右,因此若用g/(kW·h)来评价油耗并不妥当,而选择用消耗燃料的总热量来比较,其换算结果见表2。
对比选择消耗热量较低的燃料,即在I、VI循环区采用M0燃料,在II、III、IV、V区采用M85燃料,百公里消耗燃料热值仅216 MJ,比只用M0燃料消耗的热量减少13.6 %,比只用M85燃料消耗的热量减少3.14 %,在经济性上具有明显的优势。同样,如果采用6种燃料,选取各部分循环区域中经济性最好的灵活燃料,也可以实现整个循环范围内的最佳经济性。
上述发动机工况区域采用了单一横纵划分方法,而研究发现发动机工况区域的划分对于优化结果有明显的影响。从车辆的角度来看就是如何将车辆的行驶状态进行有效分类和统一,使得相近的车辆行驶工况对应在同一发动机工况区域内,这有利于在发动机运行过程中减少燃料更换次数,对稳定气缸内燃料的燃烧十分重要。
4结论
(1) 不同混合比例的甲醇/汽油灵活燃料具有不同的燃烧特性,在整个发动机运行范围内具有不同的性能。要满足整车不同行驶条件下最佳的经济性要求,需要向发动机供给适合该工况的最佳甲醇/汽油混合比。
(2) 基于车辆运行状态转换为发动机工况,并据此选择不同配比的灵活燃料,将发动机运行范围分区可以兼顾经济性和灵活燃料切换引起的动态工况性能变化。
(3) 对所研究车型,在NEDC循环下对不同工况范围内采用最合适的灵活燃料时,与采用纯汽油相比,消耗燃料热量减少13.6 %,发挥了灵活燃料的优势。
摘要：不同混合比的甲醇/汽油燃料具有不同的燃烧特性,需要根据发动机的运行工况来选择最佳性能的甲醇/汽油灵活燃料。建立了样车的动力总成模型,通过划分发动机的工况范围确定车辆对应的NEDC循环,分别对各部分循环计算了灵活燃料的油耗,并进行热效率比较。比较结果可为发动机提供可靠的灵活燃料模式和策略,发挥灵活燃料的优势,提高整车的经济性。
关键词：内燃机,灵活燃料,甲醇,油耗,循环
参考文献
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核燃料循环论文 篇3
目前能源和环境是全世界关注的热点问题。研究表明[1,2,3,4,5,6]:使用替代燃料能有效降低汽车的尾气污染物排放。大力发展替代能源,既是维护我国石油安全的重要组成部分,又是支撑我国未来能源可持续发展战略的选择。
丁醇作为一种含氧燃料,近年来得到广泛关注[7,8,9,10]。研究表明:掺混低比例的丁醇时,发动机的动力性基本保持不变[11],一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)等污染物排放降低[12,13,14]。
汽油机的循环变动限制了其运转范围,严重影响着其动力性、经济性和排放性。研究[15]表明:如果消除循环变动,在相同油耗下,发动机的输出功率可增加10%。目前,国内外对丁醇作为汽油机替代燃料的循环变动研究鲜有报道。本文中以车用电控进气道多点喷射汽油机为试验样机,研究该机燃用不同丁醇-汽油混合燃料的循环变动特性。相关研究[16]表明:平均指示压力与最大压力升高率计算结果都有一定误差,在进行不同工况比较时,这些误差可能会掩盖由工况不同引起的循环变动差异。峰值压力对循环变动很敏感,需直接测量,精度较高,更适于评价不同工况间的循环变动。本文中主要考察缸内压力峰值及其曲轴转角的循环变动率、最大压力升高率的循环变动率、放热率峰值及其曲轴转角的循环变动率几个方面。
1 试验装置及方案
1.1 试验样机及设备
试验样机为一台水冷、直列四缸四冲程、电控燃油进气道喷射、自然吸气式车用汽油机。汽油机的总排量为1.5L,缸径和行程分别为75mm和84.8mm,压缩比为10.5,标定功率为78kW(5000r/min),最大转矩为165N·m(3000r/min),试验中未对发动机进行任何调整。
试验设备主要为AVL-PUMA全自动内燃机高动态测试台架系统、DEWE-5000燃烧分析仪和KISTLER曲轴转角信号发生器。
1.2 试验燃料
试验燃料为市售93#汽油(简称G100)、正丁醇(简称Bu100)及汽油与正丁醇的混合燃料,混合燃料中正丁醇所占体积比分别为10%、15%、20%、50%、85%,分别简称为Bu10、Bu15、Bu20、Bu50和Bu85。试验燃料的理化指标见表1。
表1 试验燃料的理化指标
由表1可见,与G100相比,随着丁醇-汽油燃料中丁醇比例的升高,丁醇-汽油混合燃料的密度、黏度和辛烷值增大,碳含量减小,氢含量和氧含量增大,10%和50%馏出温度升高。低比例丁醇-汽油混合燃料的理化指标与汽油的基本相近。
由文献[11]计算可知,汽油的化学计量比Lg=14.796,纯丁醇燃料的化学计量比Lb=11.158,随着丁醇掺混比例的增加,丁醇-汽油混合燃料的化学计量比减小。
1.3 试验方案
本文中对试验样机分别燃用纯汽油、纯丁醇及不同掺混比例的丁醇-汽油混合燃料进行外特性试验和最大转矩转速及标定转速下的负荷特性试验,考察该机燃用丁醇-汽油混合燃料的循环变动特性。
为保证试验条件的一致性,减少试验误差:每次试验前都会进行相关仪器的标定;现场配制丁醇-汽油混合燃料;进行新组燃料试验前,保证整个油路中的上组残余丁醇-汽油混合燃料被充分耗尽,同时对发动机进行充分热机;每次在确保试验汽油机状态已稳定的条件下进行试验,并采集试验数据。
2 试验结果及分析
以缸内压力峰值为例,列出其对应循环变动率的计算公式如下。
缸内压力峰值pmax的算术平均值为
缸内压力峰值的标准方差为
缸内压力峰值的循环变动率为
式中,n为采样的循环数。同样可求出压力峰值对应曲轴转角的循环变动率、最大压力升高率的循环变动率、放热率峰值的循环变动率及其对应曲轴转角的循环变动率
2.1 缸内压力峰值及其曲轴转角的循环变动
图1(a)和图2(a)分别为该机燃用G100、Bu10、Bu15、Bu20、Bu50、Bu85、Bu100燃料分别在1000、2000、2500、3000、3500、4000和5000r/min负荷为100%时的缸内压力峰值及对应曲轴转角的循环变动率。图1(b)和图2(b)分别为该机燃用G100、Bu10、Bu15、Bu20、Bu50、Bu85、Bu100燃料在3000r/min负荷百分比分别为10%、25%、50%、75%和100%时的缸内压力峰值及对应曲轴转角的循环变动率。
引起循环变动的因素有很多,一般认为燃烧压力的循环变动主要发生在最初10%的混合气燃烧的燃烧初始阶段,即着火延迟期,可以认为着火延迟期的长短直接影响着循环变动的大小,即着火延迟期短,循环变动小[17,18]。
图1 缸内压力峰值循环变动率
图2 缸内压力峰值对应曲轴转角的循环变动率
由图1和图2可见,该机燃用丁醇-汽油混合燃料燃烧的缸内压力峰值循环变动率和压力峰值对应曲轴转角的循环变动率随着负荷和转速的变化趋势与纯汽油基本相同。与纯汽油相比,随着丁醇-汽油混合燃料中丁醇含量的增加,该机燃用丁醇-汽油混合燃料的缸内压力峰值循环变动率和缸内压力峰值对应曲轴转角的循环变动率增大。
外特性下,随着转速增加,该机燃用丁醇-汽油混合燃料的压力峰值循环变动率增大。综合外特性下各转速的循环变动率,与G100相比,Bu10、Bu15、Bu20、Bu50、Bu85和Bu100的压力峰值循环变动率和压力峰值对应曲轴转角的循环变动率分别增加2.5%、5.4%、11.7%、17.3%、24.0%和49.9%;压力峰值对应曲轴转角的循环变动率分别增加9.8%、11.1%、18.6%、23.6%、31.0%和49.6%。
这是因为,随着转速的升高,燃烧室内的气流运动增强,虽然较强的气流运动有助于混合气形成和火焰传播,但同时使混合气的浓度变稀,空燃比相比理论空燃比过大,燃烧持续期延长,火花塞间隙附近的气流速度升高,这必然会导致发动机循环变动的增加。转速增加也会使气流吹走火花的倾向增加,所以高速时循环变动大。此外,随着转速的增加,缸内涡流和湍流增强,导致火花塞间隙附近混合气浓度的燃烧循环变动增大[19,20]。
负荷特性下,随着负荷的增加,该机燃用丁醇-汽油混合燃料压力峰值循环变动率和压力峰值对应曲轴转角的循环变动率减小。中、低负荷时,燃用丁醇-汽油混合燃料时的循环变动系数比燃用纯汽油时的高,高负荷时基本相同。综合负荷特性下各负荷的循环变动率,与G100相比,Bu10、Bu15、Bu20、Bu50、Bu85和Bu100的压力峰值循环变动率分别增加2.6%、12.8%、20.2%、30.0%、44.8%和58.4%;压力峰值对应曲轴转角的循环变动率分别增加9.4%、20.4%、31.3%、37.6%、50.1%和62.4%。
这是因为,低负荷时燃烧室内的混合气浓度和温度都较低,燃料的着火延迟期延长,使循环变动率增大[21]。且低负荷时,残余废气系数的增加也将导致循环变动系数增加。由于丁醇的氢含量比汽油高,热值比汽油低,所表现出汽化潜热增加,使混合气在燃料蒸发时温降变大,进入气缸的混合气温度低,局部失火的可能性增加,滞燃期也会变长,循环变动率增大。
理论上而言,随着负荷的增大,进入气缸的混合气量增加,混合气燃烧放出的热量增多,气缸内的温度随之升高,最终使气缸内的压力上升,压力峰值上升。而随着负荷的加大,进入气缸的混合气流量加大,同时残余废气量相对减少,使得每循环的火核发展期缩短,使压力峰值的循环变动减小。随着负荷的增加,缸内混合气较浓,温度升高,火焰传播速度加快,燃烧速率加快,燃烧循环变动减小[22]。此外,加入丁醇后,混合燃料10%和50%馏出温度高的特点突出,使得混合燃料不易与空气混合形成合适的可燃混合气,在进气行程有一部分混合燃料来不及蒸发,而在压缩行程中陆续蒸发,这样将造成混合燃料与空气与残余废气混合的不均匀因素增加,导致局部过浓或过稀,使火花点火后形成的火焰不稳定,造成燃烧循环变动增加。
在负荷相同、供油量一定时,由于丁醇的汽化潜热大,丁醇含量越多,缸内温度越低,滞燃期越长,造成充气效率降低,使缸内平均压力降低。低负荷时,混合燃料的压力峰值平均值低,求循环变动率时作为分母,造成循环变动率偏高。中、高负荷时,由于丁醇汽化潜热大,混合燃料在滞燃期内形成的可燃混合气的能量小,燃烧柔和,循环变动率低。且丁醇比例越高,燃烧速度越快,热量释放越快,循环变动率越大[23]。因此,随着丁醇-汽油混合燃料中丁醇含量的增加,压力峰值及其对应曲轴转角的循环变动率增大。
2.2 压力升高率峰值的循环变动
图3为该机燃用G100、Bu10、Bu15、Bu20、Bu50、Bu85、Bu100燃料在外特性时的压力升高率峰值循环变动率及在3000r/min负荷率分别为25%、50%、75%和100%时的压力升高率峰值循环变动率。
由图3可见,外特性下,随着转速的增加,该机燃用丁醇-汽油混合燃料的压力升高率峰值循环变动率呈增大趋势。综合外特性下各转速的循环变动率,与G100相比,Bu10、Bu15、Bu20、Bu50、Bu85和Bu100的压力升高率峰值循环变动率分别增加62.3%、65.9%、81.4%、97.1%、92.4%和189.1%。负荷特性下,随着负荷的增加,该机燃用丁醇-汽油混合燃料的压力升高率峰值循环变动率减小。综合负荷特性下各负荷的循环变动率,与G100相比,Bu10、Bu15、Bu20、Bu50、Bu85和Bu100的压力升高率峰值循环变动率分别增加12.9%、29.8%、52.4%、67.9%、81.5%和100.1%。与G100相比,随着丁醇-汽油混合燃料中丁醇含量的增加,该机燃用丁醇-汽油混合燃料的缸内压力升高率峰值循环变动率增大。
这是因为:一方面,丁醇的氢含量比汽油高,热值比汽油低,所表现出汽化潜热增加,使混合气在燃料蒸发时温降变大,进入气缸的混合气温度低,滞燃期也会延长;另一方面,加入丁醇后,混合燃料的10%馏出温度和50%馏出温度升高,使得混合燃料不易与空气混合形成合适的可燃混合气,汽油机运行的稳定性变差。此外,由于汽油的化学计量比丁醇的大,在当量比相对较大的情况下混合气相对较浓,火花塞附近混合气易于被点燃,混合气火焰传播速率较快,燃烧循环变动小。而随着混合燃料中丁醇含量的增加,混合燃料当量比的减小,混合气浓度变稀,某些循环火花塞附近混合气不易点燃,而出现失火现象。此外,在当量比较小时,混合气火焰传播速率慢,容易在缸内产生混合气外缘大面积淬熄现象和部分燃烧现象,循环变动率增大[24]。因此,随着混合燃料中丁醇含量的增加,混合燃料燃烧的压力升高率峰值循环变动率增大。
图3 缸内压力升高率峰值循环变动率
由图1~图3可见,缸内压力升高率峰值循环变动率比缸内压力峰值及其对应曲轴转角的循环变动率大很多。这主要是由于压力升高率是由缸内压力曲线微分而来,压力曲线微小的波动都可能会造成压力升高率的抖动[25]。
2.3 放热率峰值及其曲轴转角的循环变动
图4(a)和图5(a)分别为该机燃用G100、Bu10、Bu15、Bu20、Bu50、Bu85、Bu100燃料在1000、2000、2500、3000、3500、4000、5000r/min负荷为100%时的放热率峰值及其曲轴转角的循环变动率。图4(b)和图5(b)分别为该机燃用G100、Bu10、Bu15、Bu20、Bu50、Bu85、Bu100燃料在3000r/min负荷率分别为25%、50%、75%和100%时的放热率峰值及其对应曲轴转角的循环变动率。
图4 放热率峰值循环变动率
图5 放热率峰值对应曲轴转角的循环变动率
由图4和图5可见,外特性下,随着转速的增加,该机燃用丁醇-汽油混合燃料的放热率峰值及其曲轴转角的循环变动率呈增大趋势。综合外特性下各转速的循环变动率,与G100相比,Bu10、Bu15、Bu20、Bu50、Bu85和Bu100的放热率峰值分别增加了4.7%、8.1%、11.6%、14.7%、20.8%和25.8%;放热率峰值对应曲轴转角的循环变动率分别增加了6.3%、6.8%、18.3%、19.2%、16.7%和28.7%。外特性下,随着转速的增加,气缸内气体流动加强,在火花塞附近形成强烈的小尺度无规则的紊流运动。这种无规则的气流运动形式会造成充气速度在数量和方向上的波动,循环变动率增大。
负荷特性下,除75%负荷外,随着负荷的增大,该机燃用丁醇-汽油混合燃料的放热率峰值及其曲轴转角的循环变动率减小。综合负荷特性下各负荷的循环变动率,与G100相比,Bu10、Bu15、Bu20、Bu50、Bu85和Bu100的放热率峰值分别增加了3.3%、6.0%、7.6%、11.5%、23.0%、38.7%;放热率峰值对应曲轴转角的循环变动率分别增加了10.7%、22.4%、30.1%、39.6%、46.2%、59.2%。与纯汽油相比,随着丁醇-汽油混合燃料中丁醇含量的增加,该机燃用丁醇-汽油混合燃料的放热率峰值循环变动率及其对应曲轴转角的循环变动率增大。
这是因为,负荷特性下,低负荷时气缸内的残余废气量相对较大,进入气缸内的新鲜充气量减少,燃烧速度变慢,加上在低负荷时循环供油量小,过量空气系数大,混合气浓度较低,燃烧不稳定,燃烧循环波动较大;同时,随着负荷的增大,残余废气量相对减小,进气量增多,混合气空燃比也在理论值附近,因此循环变动率明显减小[26]。由于丁醇的汽化潜热比汽油大,使混合气在燃料蒸发时温降变大,进入气缸的混合气温度降低,滞燃期延长,每循环放热量减少,燃烧状态改变,循环变动率增加。此外,由于丁醇的黏度比汽油的大,馏程比汽油的高,雾化混合速度比汽油慢,因此其燃烧速度比汽油慢。加入丁醇后,混合燃料的10%馏出温度和50%馏出温度升高,使得混合燃料不易与空气混合形成合适的可燃混合气,汽油机运行的稳定性变差,循环变动增大。
3 结论
(1)与纯汽油相比,随着丁醇-汽油混合燃料中丁醇含量的增加,该机燃用丁醇-汽油混合燃料的缸内压力峰值循环变动率及其对应曲轴转角的循环变动率增大。
(2)与纯汽油相比,随着丁醇-汽油混合燃料中丁醇含量的增加,该机燃用丁醇-汽油混合燃料的缸内压力升高率峰值循环变动率增大。
(3)与纯汽油相比,随着丁醇-汽油混合燃料中丁醇含量的增加,该机燃用丁醇-汽油混合燃料的放热率峰值循环变动率及其对应曲轴转角的循环变动率增大。
摘要：对某电控进气道多点喷射汽油机分别燃用国Ⅳ汽油、纯丁醇,以及丁醇体积比分别为10%、15%、20%、50%、85%的汽油-丁醇混合燃料的循环变动特性进行了试验研究,试验中未对发动机进行任何改动。研究结果表明:与汽油的燃料特性相比,随着丁醇-汽油混合燃料中丁醇含量的升高,汽油机燃用丁醇-汽油混合燃料的缸内压力峰值及其对应曲轴转角的循环变动率、压力升高率峰值循环变动率及放热率峰值及其对应曲轴转角的循环变动率增大。