论文部分内容阅读
传统内燃机的广泛运用推动了世界经济和文明的蓬勃发展,但其高NO_X和颗粒排放也引发了社会各界的担忧。天然气发动机由于经济性好、排放污染少等优点受到广泛关注,但也因动力性相对不足而未能被广泛应用。柴油引燃缸内直喷技术可有效提高天然气发动机的动力性,又兼具良好的排放性,但由于国外的技术垄断,仍存在难点需要突破。本文围绕双燃料缸内直喷技术,对双燃料喷射与燃烧过程开展了数值模拟研究。本文首先基于同轴喷射开展了双燃料喷射实验和模拟研究,然后对同轴喷射缸内直喷天然气发动机的影响因素进行了数值模拟分析,最后设计了一种四喷嘴的方案实现双燃料的缸内直喷。主要研究内容和结果如下:(1)采用了一种PIV和纹影结合的双燃料喷射实验系统,对定容弹内双燃料喷射过程进行了可视化测试,并利用可视化试验数据验证了双燃料喷雾混合过程的CFD数值模型的可靠性,进而对柴油/天然气双燃料高压直喷过程进行了数值模拟分析。结果表明,当天然气射流头部碰到柴油喷雾时会受到扰动,随着天然气射流的携带和卷吸作用,柴油颗粒会逐渐均匀分布于天然气射流中。(2)基于一台Cummins ISX天然气发动机,在CONVERGE软件中建立了同轴喷射柴油引燃天然气的发动机模型,在发动机额定工况下将模拟与试验进行对比验证,并分析了过量空气系数对燃烧和排放的影响。结果表明,在发动转速为1200rpm时,空气过量系数增加,缸内平均压力峰值升高,缸内平均温度和放热率峰值大幅下降,天然气的燃烧速率变慢,燃烧平稳,过量空气系数越大,排放越良好,当过量空气系数为3.5时,soot、NO_x和CO排放分别降低74%、15%和99%。(3)基于L23/30船用天然气发动机设计了双柴油喷嘴双天然气喷嘴的发动机模型,在发动机75%负荷下,通过模拟研究了其喷射策略对燃烧和排放的影响。结果表明,在三种不同引燃柴油喷射时刻中,当引燃柴油喷射时刻为上止点前25°CA时效果最佳,缸内平均压力峰值高,燃烧相位靠前,高温持续时间短,指示平均有效压力高,NO_X排放量降低了15%,当引燃柴油喷射时刻为上止点前25°CA时,喷射间隔从19°CA减少到16°CA时,缸内的平均压力峰值增加了0.77MPa,放热率峰值时刻会提前,soot质量减少了22%,NO_X排放增加,当引燃柴油量增加时,缸内平均压力峰值上升,NO_X排放增加。本文的研究成果对同轴式双燃料天然气发动机的性能和燃烧优化有一定的指导作用,并为我国大缸径天然气发动机的双燃料直喷系统研发提供了方向。