喷射蒸汽对柴油和生物柴油平衡产物及热力学性质影响的研究

抽象的

本研究从化学平衡的角度考察了喷射蒸汽对柴油、大豆油基生物柴油(NBD)和废油生物柴油(WCOB)燃烧产物和热力学性质的影响。该模型给出了10种燃烧产物的排气混合物的平衡摩尔分数、比热和绝热火焰温度。结果表明:一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO₂)随注汽比的增大而减小。在稀混合物中，NO摩尔分数随注汽比的增大而减小。燃烧产物比热随喷汽比的增大而增大。所得的平衡燃烧产物可用来计算废气中NO的非平衡值。

1.介绍

源自原油的化石燃料是全世界内燃发动机的主要能源来源，特别是喀麦隆。然而，内燃机中的燃烧是污染物排放的主要来源。由于对环境问题越来越令人担忧，在全球范围内的许多国家都将更加严重的环境限制。此外，尽管化石燃料的资源迅速消耗，但几乎所有内燃机的使用仍然在几乎所有内燃机中仍然占主导地位。因此，研究人员对内燃机和替代燃料中的燃烧进行了研究。在这方面，生物柴油可以被认为是化石柴油的替代燃料，以满足燃料需求不断增长和严重的环境规范。通过酯交换，微乳液，稀释和热解从更宽的原料生产生物柴油。油菜籽，大豆和棕榈油在全球生物柴油生产的可食用原料很大程度上是优选的[1]．生物柴油因其可生物降解、无毒、环保、不含硫和芳香成分而成为一种引人注目的燃料[2]．使用生物柴油的柴油发动机可以减少一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和烟雾的排放，同时增加氮氧化物(NO_X）[3.-5.]．生物柴油属性非常靠近柴油。然而，与柴油燃料相比，生物柴油的缺点是较高的粘度，密度，十六烷数，闪点，低温性能和较低的挥发性，能量含量和氧化和储存稳定性[6.]．更高的浊点和倾点，较高的氮氧化物排放，喷射器焦化，发动机兼容性和更高的发动机磨损也是影响燃烧特性的生物柴油的缺点[7.]．生物柴油较差的低温特性是阻碍其在寒冷天气条件下的利用[8.]．燃料化学性质的差异影响燃烧过程开发，从而导致发动机性能和排放的改变[9.]．生物柴油由许多不同类别的饱和和不饱和脂肪酸形成，其形成其物理和化学性质[10.]．高粘度导致高喷渗透进入燃烧室,这是非常重要的提高燃料混合质量特别是大与开阔的燃烧室和缓慢的引擎,但有更多的不利影响等小而快的发动机燃料雾化差,大的液滴大小,混合质量不好,燃烧不完全，燃烧效率较低，导致发动机性能下降，排放增加[11.]．由于其来源的多样性和分子结构的复杂性的多样性，生物柴油燃烧难以模拟[12.-16.]．化学平衡模型是燃烧模型的估计，假设燃烧产物处于高温燃烧中的化学平衡。燃烧产物以等于速率的相等速率和去除每个物种的反应，因此，物种组合物的净变化在给定条件下保持恒定[17.]．化学平衡模型用于内燃机的热力学模拟[18.]．一个简单的模型，包括仅六种产品，即二氧化碳（CO₂)、水(H₂o），氮气（n₂），氧化物（o₂)、一氧化碳(CO)和氢(H₂），已由Heywood定义[19.]．Gonca [20.[蒸汽注射对乙醇 - 柴油混合物运行的柴油机的性能和一氧化氮（NO）排放的影响。在他的研究中，根据基于化学平衡的构成求解模式，根据蒸汽/空气比评估各种乙醇 - 柴油共混物。ngayihi abbe等。[21.进行了使用涉及化学平衡燃烧模型的零维热力模型比较四个生物柴油代理的数值研究。UST和Kayadelen使用化学平衡模型[22.]．在他们的研究中，使用10种燃烧产物来预测平衡和热力学性质的H₂在不同的H₂o费率。他们忽略了co和h₂瘦混合物中的形成。它们分别为瘦和富含混合物形成了它们的公式系统。Rakopoulos等人。[23.在直喷式柴油发动机中对燃烧和排放形成进行了双区热力学模型。它们使用了涉及11种燃烧产物的化学平衡方案，用于计算废气中的成分。Diotallevi [24.]建立了柴油机NO的多区热力学模型_X形成。他通过考虑10个燃烧产物创建了化学均衡方案。使用由作者开发的使用MATLAB程序开发的迭代方法来解决的等式的非线性系统。穆雅和罗伊[25.[]根据化学平衡模型研究了使用麻疯树生物柴油和柴油混合燃料的柴油发动机的燃烧模型。利用自己开发的数学软件和C语言程序对其方程进行求解。Kayadelen [26.]开发了一个多特征模型，用于估算燃料、替代品和燃料添加剂的14种平衡燃烧产物的摩尔分数、热力学性质和恒压绝热火焰温度。他分别建立了稀混合物和浓混合物的方程式系统。公司和H₂在稀混合物中，摩尔分数被忽略。采用Newton-Raphson方法和Gauss-Seidel方法求解非线性方程组。一些平衡计算机程序存在，如GASEQ [27.[NASA的应用（CEA）化学平衡[28.]．然而，GASEQ软件忽略了解离对燃烧产物的比热的影响。因此，明显的错误可能导致发动机性能计算。另一方面，NASA的CEA需要给出绝热的火焰温度或燃烧焓。在NASA的Gaseq和CEA的特定热量结果之间报道了重要差异，特别是在高温下。在文献中，缺乏研究蒸汽喷射对柴油和生物柴油燃料的均衡产品和热力学性质的影响。然而，均衡燃烧产物可用于计算废气中没有排放的非排放。本模型考虑了燃烧产物与气体混合物的比热温度分解的影响。绝热火焰温度或燃烧焓不是输入的输入，但它们可以通过模型计算。本研究的主要目的是探讨蒸汽喷射对柴油燃料，大豆油生物柴油（NBD）的均衡产物和热力学性质的影响，以及废料烹饪油生物柴油（WCOB）。 For this purpose, the solving schema of the combustion model based on a chemical equilibrium was developed for diesel and biodiesel fuels. The nonlinear system of equations is solved using Newton-Raphson and Gauss-Seidel methods. The diesel and biodiesel with chemical formulae C_14.09H_24.78[29.], C_18.74H_34.43O.₂[29.], C_18.H_36.O.₂[30.在本研究中用于代表柴油燃料，豆油基生物柴油（NBD）和废物烹饪油生物柴油（WCOBD）。

2.理论均衡燃烧产品模型

2.1。均衡燃烧产品

燃烧产物应该由十种气体组成，这些气体都被认为是理想气体，它们通过如下的解离考虑来定义[31.]：压强的单位在哪里是大气和K.₁来K._6.是反应的平衡常数。奥利卡拉和博尔曼[32.]用曲线拟合平衡常数K._一世对600 ~ 4000 K之间的JANAF热化学表进行了制表，并计算了其值平衡常数曲线拟合系数呢一种_一世那B._一世那C_一世那D._一世,E._一世列于表格1由弗格森呈现[31.]．


一世	一种_一世	B._一世	C_一世	D._一世	E._一世

1	0.432168	-0.112464×10^5.	0.267269×10¹	-0.745744×10^-4	0.242484×10^-8
2	0.310805	−0.129540×10^5.	0.321779×10¹	−0.738336×10^-4	0.344645×10^-8
3.	-0.141784	−0.213308×10^4.	0.853461.	0.355015×10^-4	−0.310227×10^-8
4.	0.150879×10^-1	−0.470959×10^4.	0.646096	0.272805×10^-5	-0.154444×10^-8
5.	-0.752364	0.124210×10^5.	−0.260286×10¹	0.259556×10^-3	−0.162687×10^-7
6.	-0.415302×10^-2	0.148627×10^5.	−0.475746×10¹	0.124699×10^-3	−0.900227×10^-8

2.2。均衡燃烧模型

2.2.1。低温产品

在低温下(T. < 1000 K) and forα./γ.比例低于1，整体化学反应，描述了燃烧（< 3)，如下:

对于瘦和化学计量的燃烧，假设会有足够的氧气来氧化所有CO和H.₂这意味着co和h₂可以忽略不计。可以注意到平衡组合物与温度和压力无关。它只取决于等价率．产物组成是用原子平衡方程确定的。表中给出了低温湿式燃烧的产物2．对于丰富的情况，假定有不足的氧气氧化所有的CO和H₂这意味着所有的氧气都被消耗掉了。


一世	物种	≤1	> 1

1	CO.₂	α. ε	α. ε−ν_5.
2	H₂O.	β ε + X	ε（γ.−2α.）+ 0.42 + ν_5.
3.	N₂	0.79 +δ. ε／2	0.79 +Δφε.／2
4.	O.₂	0.21（1 - ）	0.
5.	CO.	0.	ν_5.
6.	H₂	0.	0.42 (−1)−ν_5.

写原子平衡时，得到五个未知数和四个方程。还有一个方程(10.使用），取决于弗格森给予的水气反应的平衡常数[31.]对于400 k和3200k之间的温度范围：在哪里T.=T./ 1000。

水气反应的恒压平衡常数K表示为:

2.2.2。高温产品

在更高的温度下（T.≥1000k)和forα./γ.比例低于1，整体化学反应，描述了燃烧（< 3)，给出如下: 在哪里ν_一世表示每种产品的摩尔数，以及α.那β那γ.,δ.分别表示所使用燃料中碳、氢、氧和氮的原子序数。柴油,γ.和δ.是0。当产物摩尔分数在给定的温度、当量比和压强下已知时，就可以计算出焓、熵、比容和内能等重要的热力学性质。

等式中各种元素的原子平衡（11.），所有产品的摩尔分数的约束增加了一个，未知的总产质摩尔N和六个离解方程（1） - （6.）由燃烧产物中均衡标准提供的11个未知的11方程，即未知的摩尔分数y_一世和未知的总产品痣N．在写出其他燃烧物质的摩尔分数关于四个自变量的摩尔分数之后y_3.那y_4.那y_5.,y_6.，获得以下非线性方程：

等价率还有摩尔燃料/空气比表示如下：

通过卖=（y_3.那y_4.那y_5.那y_6.）^T.是独立变量的向量，δ. =（ΔY._3.那ΔY._4.那ΔY._5.那ΔY._6.）^T.线性系统的溶液矢量，和包含函数的向量F_3.那F_4.那F_5.和F_6.，非线性方程组可以用向量表示为一个表达式:

这个问题的确切答案是那意思是在哪里对于解决方案是一个给定的粗略猜测。在邻居那功能F_一世（）可以在泰勒系列中扩展，并在第一个衍生后截断。我们获得了一组用于向量的线性方程δ. 移动每个值F_一世( ）同时接近于零:

雅可比矩阵表示为

线性方程组方程(29.)已解决ΔY.(0)采用Gauss-Seidel迭代法。新的近似解计算如下．

如果不将解近似于给定的公差，则解的逐次近似如下:

重复这个过程，直到δ. 达到指定的公差，从而导致值：

在确定摩尔分数后表达另一个依赖性未知数y_3.那y_4.那y_5.,y_6.如下:

2.3。热力学性质

在恒定压力下，由于物种在高温下，温度变化具有对特定热量的影响。在与写入温度的平衡特异性热计算期间，应考虑温度对摩尔分数的影响

同样的程序用于求解方程(39.）.所得结果用于公式()中混合气体比热的计算46）.

戈登和麦克风[33.]提出了恒压摩尔比热的表达式焓和熵每个物种的值适配在制表的Janaf热化学表中的曲线[34.]．

在恒定压强下，气体混合物的焓由于分歧而改变，因为物种的摩尔分数随温度变化：在哪里和．

2．4．恒压绝热火焰温度

恒压绝热火焰温度（T_广告)，使用(47）.需要初始温度来决定反应物的总焓H_你：在哪里H为(得到的燃烧产物的焓44）和是由（燃烧产物）获得的具体热量（46）.

对于每次迭代一世那H和重新评估，直到达到可接受的规定公差。

2.5。燃料特性和标准规格

这些燃料的物理和化学性质列于表中3.．


燃料特性	柴油(30.]	NBD [30.]	WCOB

在15°C时密度（kg·m^-3）	853.7	881.4	865.19 [36.]
40℃的运动粘度（mm²·年代^-1）	2.8271	4.2691	3.5 [36.]
低热值(kJ·公斤^-1）	42640.	37388	37000年(31.]
氧气（wt.％）	0.00	10.98	11.27
十六烷数量	42.6	51.5	54 [31.]
化学式	C_14.09H_24.78	C_18.74H_34.43O.₂	C_18.H_36.O.₂[31.]

表格中显示为生物柴油和柴油燃料的标准规格4.符合ASTM D6751和EN 14214。


燃料特性	ASTM D6751.	en 14214 [36.]

在15°C时密度（kg·m^-3）	880 [37]	860 - 900
40℃的运动粘度（mm²·年代^-1）	1.9 - -6.0 [37]	3.5-5.0
十六烷数量	分钟。47 [37]	分钟。51.
闪点（°C）	93分钟。[37]	分钟。101.
硫量（mg / kg）	马克斯。0.05 [30.]	马克斯。10
110°C(小时)的氧化稳定性	分钟。3 [37]	分钟。6.

2.6。验证模型

通过将模型结果与NASA的软件CEA的模型结果进行比较来完成模型的验证[28.]和软件GASEQ [27.]，使用元素电位方法和吉布斯自由能方法的最小化。进行蒸汽喷射的甲烷模拟。与NASA和GASEQ的软件CEA中的模型相比，化学平衡产物的摩尔分数和与模型的热力学特性相比= 0.6with steam injection 10% are mentioned in Table5.而在= 1.2，注汽10%列于表中6.．


= 0.6	模型结果	Gaseq结果	CEA结果	GASEQ相对误差（％）	CEA相对误差（％）

CO.₂	0.051506	0.05154	0.05151.	0.066	0.066
H₂O.	0.233920	0.23399.	0.23385	0.029	0.029
N₂	0.645559.	0.64553	0.64553	−0.005	−0.005
O.₂	0.068353	0.06827	0.06827	−0.122	−0.122
CO.	1.328×10^-7	1.33×10^-7	3.27×10^-7	-0.157	-0.157
H₂	2.419×10.^-7	2.41×10^-7	2.41×10^-7	−0.360	−0.360
H	1.269×10^-9	1.27×10^-9	1.27×10^-9	0.03	0.03
O.	1.506×10^-7	1.50×10^-7	1.50×10^-7	−0.429	−0.429
哦	3.263×10^-5	3.39×10^-5	3.39×10^-5	3.751	3.751
没有	6.278×10^-4	6.27×10^-4	6.27×10^-4	−0.126	−0.126
(kJ·公斤^-1·K^-1）	1.46488.	1.45383	1.45383	-0.76	-0.76
T._在（k）	300	300	300	0.000	0.000
T._广告（k）	1482.3.	1482.3.	1482.3.	0.000	0.000


=1。2	模型结果	Gaseq结果	CEA结果	GASEQ相对误差（％）	CEA相对误差（％）

CO.₂	0.063729	0.06368	0.06368	−0.077	−0.077
H₂O.	0.278173	0.27822	0.27822	0.017	0.017
N₂	0.594799.	0.59480	0.59480	0.00017	0.00017
O.₂	5.826×10^-8	5.78×10^-8	5.78×10^-8	−0.790	−0.790
CO.	0.031138	0.03119	0.03119	0.168	0.168
H₂	0.032106	0.03206.	0.03206.	-0.144.	-0.144.
H	2.988×10^-5	2.98×10^-5	2.98×10^-5	-0.260	-0.260
O.	1.535×10^-8	1.53×10^-8	1.53×10^-8	-0.345.	-0.345.
哦	2.199×10.^-5	2.95×10^-6	2.68×10^-6	2.679	2.57
没有	2.962×10^-6	2.95×10^-6	0.646096	−0.394	−0.394
(kJ·公斤^-1·K^-1）	1.64592	1.63042	1.63042	−0.95	−0.95
T._在（k）	300	300	300	0.000	0.000
T._广告（k）	1919.3	1919.3	1919.3	0.000	0.000

3.结果与讨论

3.1。燃烧产物的摩尔分数

为了研究蒸汽喷射对生物柴油和柴油平衡燃烧产物和热力学性质的影响，对生物柴油和柴油进行了蒸汽绝热燃烧模拟。在燃烧前，假定空气和燃料的温度等于300k，空气和燃料混合物的压力等于燃烧室的压力。燃烧室内部压力为30atm，这应该是喷射蒸汽的压力。注汽温度为300℃。未燃烧混合物的温度是通过假定反应物之间的热平衡来确定的。初始温度由燃料-空气和蒸汽混合物的热平衡得到。

对比分析了稀燃和富燃在喷汽量从0%增加到10%时的结果。

数字1（a）和1（b）展示了CO₂平衡摩尔分数随注汽比的增加而显著降低;NBD给出最高的结果，而WCOBD给出最低的结果。Kayadelen [26.]在他的研究中获得了相同的行为。

（一种）

（b）

数字2（a）和2(b)说明H₂O平衡摩尔分数与注汽比。很明显，H₂O平衡摩尔分数随注汽比的增加而增加。最大的H₂通过WCOBD和最小H得到O平衡摩尔分数₂用柴油燃料观察到平衡摩尔分数。原因是WCOBD最低α./β柴油比最高α./β比率。较小的α./β比率是，h越大₂O平衡摩尔分数是。

（一种）

（b）

数字3.（a）和3.(b)说明N₂注汽比的平衡摩尔分数。很清楚n₂平衡摩尔分数随注汽比的增加而降低。最大的N₂用柴油燃料和最小n获得平衡摩尔分数₂用WCOBD观察到平衡摩尔级分。原因是WCOBD最低α./β柴油比最高α./β比率。

（一种）

（b）

数字4.（a）和4.(b)表示O₂注汽比的平衡摩尔分数。很明显o₂在稀薄燃烧的情况下，随着蒸汽喷射比率的增加，平衡摩尔分数随着蒸汽喷射比而降低。最大O.₂用柴油和最小o获得平衡摩尔分数₂用WCOBD观察到平衡摩尔级分。O.₂在富氧燃烧中，由于氧浓度较低，平衡摩尔分数较低。最大O.₂平衡摩尔分数发生在WCOBD和最小O₂在燃烧丰富的情况下，柴油燃料发生平衡摩尔分数。蒸汽喷射的影响具有类似的图趋势5.（a）和5.(b)。

（一种）

（b）

（一种）

（b）

数字6.（a）和6.(b)表示CO平衡摩尔分数随注汽比的变化。CO平衡摩尔分数随注汽比的增加而降低。在富燃烧条件下，柴油的CO平衡摩尔分数最大，WCOBD的CO平衡摩尔分数最小。贫燃烧条件下，NBD法的CO平衡摩尔分数最大，WCOBD法的CO平衡摩尔分数最小。

（一种）

（b）

数字7.（a）和7.（b）显示h₂平衡摩尔级分具有蒸汽注射率，其富含浓度和稀薄燃烧。WCOBD的燃烧给出了最高的H.₂均衡摩尔分数。蒸汽喷射的影响具有类似的图趋势8.（a）和8.(b)。

（一种）

（b）

（一种）

（b）

数字9.（a）和9.（b）证明具有蒸汽注射比率的OH平衡摩尔级分。在富含浓度和稀薄的燃烧中，OH平衡摩尔级分略微增加，蒸汽注射比率较高。WCOBD释放出最高的OH平衡摩尔分数，而柴油燃料在富含浓度和贫燃烧中释放最低的OH平衡摩尔级分。数字10.（a）和10.(b)用注汽比证明NO平衡摩尔分数。贫燃条件下，NO平衡摩尔分数随注汽比的增加而降低。柴油燃烧释放的NO平衡摩尔分数最高，而WCOBD燃烧释放的NO平衡摩尔分数最低。

（一种）

（b）

（一种）

（b）

3．2．燃烧产物的热力学性质

由于在该温度条件下过热蒸汽的比热高于空气的比热，因此混合气体的比热和焓随注汽比的增加而增加。Kayadelen [26.]在他的研究中获得了相同的行为。

数字11.（a）和11.(b)表示燃烧产物比热随蒸汽喷射比的变化。富燃料燃烧比贫燃料燃烧获得更高的比热。WCOBD的比热最高，柴油的比热最低。在这两种燃烧中，比热随喷射比的增加而增加，这是因为在相同温度下，除了CO的比热外，蒸汽的比热远远大于其他燃烧产物的比热₂．

（一种）

（b）

数字12.（a）和12.（b）显示燃烧产物相对于蒸汽注射比的变化。与富燃烧相比，在贫燃烧中获得燃烧产物的较高焓。用柴油燃料看到燃烧产物最高焓，并用WCOBD获得燃烧产物的最低焓。在这种燃烧中，由于蒸汽的焓，燃烧产物的焓随着蒸汽喷射比而增加，这远小于相同温度的燃烧产物。

（一种）

（b）

数字13.（a）和13.（b）显示燃烧产物熵相对于蒸汽注射率的变化。与稀薄燃烧相比，在丰富的燃烧中获得燃烧产物的更高熵。用WCOBD看到燃烧产物的最高熵，用柴油燃料获得燃烧产物的最低熵。在这种燃烧中，燃烧产物的熵随着蒸汽喷射比率的增加而增加。

（一种）

（b）

4。结论

平衡燃烧模型用于提供化学平衡中燃烧产物的摩尔分数和热力学性质。平衡摩尔级分和绝热火焰温度对于估计废气的热力学性能以及提供关键数据以获得非喹硫纤维级分。热力学性能的精确计算是准确的内燃机的精确性能估计所必需的。蒸汽注射对柴油燃料和生物柴油的平衡燃烧产物和热力学性能的影响。

燃烧产物的平衡摩尔分数和热力学性质显示出良好的一致性与使用甲烷的NASA和Gaseq的CEA获得的结果。

最高的公司₂NBD形成平衡摩尔分数，WCOBD形成平衡摩尔分数最低。在稀薄燃烧条件下，生物柴油的NO还原率高于柴油。因此，在稀薄燃烧条件下，蒸汽喷射比可用于生物柴油燃料，以降低NO平衡燃烧产物。

由于其准确性和便利性，该模型可以成为研究燃料、替代品、排放和内燃模型的研究人员的求助工具。

平衡摩尔分数用于燃烧工程，例如在化学动力学中寻找参考点，在参数排放监测系统中估计电力系统的排放。

通过将该模型与热力学模型集成到热力学模型将这种模型集成到热力学模型，可以轻松地进行包括废气再循环，补充烧制，蒸汽喷射，注水，燃料乳剂和再加热过程的燃烧过程中的任何燃烧过程。

命名法

ASTM:	美国试验与材料学会
EGR技术:	废气再循环
EN:	欧洲规范
H：	比焓,kJ·公斤^-1
m：	混合物的分子量，kg·kmol^-1
美国国家航空航天局(NASA):	国家航空和航天局
：	压力，PA
下午:	可吸入颗粒物
S.：	特定的熵，kj·kg^-1·K^-1
T：	温度、K
X：	注入的摩尔数H₂O.
义：	物种的摩尔分数我。

希腊字母

α.：	燃料中碳的原子序数
β：	燃料的原子数氢
γ.：	燃料中氧的原子序数
δ.：	燃料的原子数量
：	摩尔燃料/空气比率
：	等价率
：	产品种类的摩尔数我。

下标

一种：	空气
F：	燃料
S.：	化学计量。

数据可用性

本研究未使用资料。为了得到研究结果，作者进行了计算模拟。

的利益冲突

作者宣布没有利益冲突。

参考文献

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《燃烧

抽象的

1.介绍

2.理论均衡燃烧产品模型

2.1。均衡燃烧产品

2.2。均衡燃烧模型

2.2.1。低温产品

2.2.2。高温产品

2.3。热力学性质

2．4．恒压绝热火焰温度

2.5。燃料特性和标准规格

2.6。验证模型

3.结果与讨论

3.1。燃烧产物的摩尔分数

3．2．燃烧产物的热力学性质

4。结论

命名法

数据可用性

的利益冲突

参考文献

版权

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