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天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴射及著火特性

2021-02-28 21:27:53·  來(lái)源：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)  作者：Satisfactory  
　
天然氣作為發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料以其高效燃燒、清潔環(huán)保及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)日益受到重視。缸內(nèi)高壓直噴式(HPDI)柴油微引燃液化天然氣(LNG)發(fā)動(dòng)機(jī)既能保持原有動(dòng)力性又能大幅降低污染物排放，因而具有廣闊應(yīng)用前景。HPDI柴油微引燃LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程包括微量柴油和天
天然氣作為發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料以其高效燃燒、清潔環(huán)保及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)日益受到重視。缸內(nèi)高壓直噴式(HPDI)柴油微引燃液化天然氣(LNG)發(fā)動(dòng)機(jī)既能保持原有動(dòng)力性又能大幅降低污染物排放，因而具有廣闊應(yīng)用前景。HPDI柴油微引燃LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程包括微量柴油和天然氣的噴射和著火及雙燃料混合燃燒等過(guò)程，其中燃料的噴射及著火過(guò)程對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和排放特性有較大影響，因此，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴射特性和著火特性進(jìn)一步研究。本次推文基于CFD 軟件對(duì)缸內(nèi)高壓直噴式柴油微引燃LNG發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算，探究天然氣噴射時(shí)刻、天然氣噴射持續(xù)期、柴油噴射時(shí)刻和柴油與天然氣噴孔周向夾角對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧特性和著火特性的影響。

01、模型建立及后處理方法
使用CFD軟件ConVERGE 2.3進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)模擬，為避免額外的計(jì)算負(fù)擔(dān)，基于該發(fā)動(dòng)機(jī)單缸體積的1/7構(gòu)建了循環(huán)邊界的軸對(duì)稱(chēng)模型。計(jì)算的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別為壓縮行程上止點(diǎn)前90°CA和壓縮行程上止點(diǎn)后140°CA，由此避免了進(jìn)氣閥和排氣閥運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的計(jì)算負(fù)擔(dān)。圖1為所用發(fā)動(dòng)機(jī)模型的三維幾何結(jié)構(gòu)及燃料噴孔位置。為簡(jiǎn)化研究，選取甲烷和正庚烷作為天然氣和柴油替代物模型來(lái)研究缸內(nèi)高壓直噴式天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程。
圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)CFD模型
 
圖2為本模型預(yù)測(cè)值與文獻(xiàn)試驗(yàn)氣體射流量綱為1貫穿距數(shù)據(jù)的對(duì)比。模擬得到的結(jié)果在橫坐標(biāo)為18至26之間時(shí)略高于試驗(yàn)值，但總體與文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)吻合較好，故所構(gòu)建的氣體射流模型可以較為準(zhǔn)確模擬天然氣自由射流。圖3為不同湍流模型下發(fā)動(dòng)機(jī)仿真模型計(jì)算結(jié)果與康明斯單缸試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)缸壓、放熱率對(duì)比，發(fā)動(dòng)機(jī)模擬與試驗(yàn)的工況為歐洲穩(wěn)態(tài)測(cè)試循環(huán)B75工況，該工況在測(cè)試循環(huán)中的權(quán)重最大。采用大渦模擬(LES)湍流模型可以較好地預(yù)測(cè)缸內(nèi)的燃燒過(guò)程，能夠滿足計(jì)算精度的要求。
圖2 天然氣射流模擬與試驗(yàn)貫穿距
圖3 不同湍流模型下模擬值與試驗(yàn)值的對(duì)比
 
圖4為用于切片分析的所選截面。對(duì)截面內(nèi)的當(dāng)量比和速度場(chǎng)對(duì)比分析缸內(nèi)雙燃料射束的發(fā)展和混合情況。在燃料燃燒過(guò)程中，CO+OH⇒CO2+H反應(yīng)在火焰面附近具有較高的反應(yīng)速率，采用中間產(chǎn)物CO和自由基OH的乘積能較好地反映火焰發(fā)生的位置。故采用燃燒中間產(chǎn)物CO和自由基OH的濃度乘積大小作為火焰診斷的依據(jù)。
圖4 用于切片分析的截面

02、柴油與天然氣射流中線軸線夾角

保持兩種燃料噴孔與氣缸中心軸的夾角不變，通過(guò)改變柴油和天然氣射流中心軸線夾角來(lái)探究該因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴射及著火特性的影響。圖5定義夾角α 為柴油和天然氣射流中心軸線的夾角，并分別對(duì)α為0°、5°、10°和15°進(jìn)行了仿真計(jì)算。
 
圖6為不同夾角下缸壓和放熱率的結(jié)果對(duì)比。數(shù)值模擬的結(jié)果揭示了隨著夾角α的增大，最高爆壓降低，放熱率峰值上升，出現(xiàn)最高爆壓和放熱率峰值的時(shí)刻延后。
圖5 夾角α的定義
圖6 不同夾角α下缸壓和放熱率結(jié)果
 
圖7為在不同夾角α下截面A處的當(dāng)量比和速度場(chǎng)分布隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的情況。隨著夾角α的增大，射流在撞壁后形成的漩渦結(jié)構(gòu)更弱，射流兩側(cè)的卷吸效果更強(qiáng)。這是由于自由射流噴入時(shí)的夾角較大時(shí)，自由射流的前端接觸的已噴柴油較少，使得動(dòng)量損失降低，撞擊壁面后沿著弧形的壁面凹槽擴(kuò)散，而當(dāng)夾角較小時(shí)，自由射流前端將接觸并裹挾更多的已噴柴油撞擊壁面，在空氣的阻力下卷吸形成明顯的旋渦結(jié)構(gòu)。從噴射后期來(lái)看，夾角α的增大也有助于自由射流在缸內(nèi)縱向空間中的擴(kuò)散，這也是得益于自由射流動(dòng)量損失的降低。
圖7 不同夾角α下截面A當(dāng)量比和速度場(chǎng)分布
圖8為不同夾角α下截面B的當(dāng)量比變化，噴入缸內(nèi)的引燃柴油和天然氣自由射流均受到缸內(nèi)渦流的影響產(chǎn)生逆時(shí)針的偏轉(zhuǎn)，且天然氣自由射流的噴射壓力大，故而受到的偏轉(zhuǎn)影響較已噴柴油較小。在雙燃料射流中心軸線夾角和缸內(nèi)渦流偏轉(zhuǎn)的共同影響下，當(dāng)夾角增大到15°且還遠(yuǎn)未達(dá)到模擬的1/7氣缸的圓心角的一半時(shí)，就穿過(guò)循環(huán)邊界并與自由射流接觸。
圖8 不同夾角α下截面B當(dāng)量比分布
 
圖9為不同夾角α下缸內(nèi)的火焰面分布隨天然氣噴射后曲軸轉(zhuǎn)角(ASOI)的變化。紅色輪廓線為天然氣自由射流火焰面，藍(lán)色輪廓線為已噴柴油火焰面。α ＝15°時(shí)，起噴后9°CA已噴柴油幾乎全部穿過(guò)循環(huán)邊界，且火焰面從已噴柴油噴束上延伸到天然氣射流上。當(dāng)夾角小于15°時(shí)，已噴柴油部分穿過(guò)循環(huán)邊界，火焰面從天然氣射流兩側(cè)的已噴柴油上延伸到天然氣射流上。結(jié)合缸壓和放熱率曲線，說(shuō)明沿著缸內(nèi)旋流方向增大的噴射夾角使天然氣噴束的著火點(diǎn)傾向于出現(xiàn)在射束周?chē)娜佳趸旌衔镏?，使得燃燒滯后，缸?nèi)燃燒的等容度降低。
圖9 不同夾角α下缸內(nèi)的火焰面分布

03、天然氣噴射時(shí)刻的影響
保持柴油噴孔和天然氣噴孔的角度不變，保持柴油的噴射參數(shù)不變，天然氣的噴射量和噴射持續(xù)期保持不變，對(duì)天然氣噴射時(shí)刻(SOI)分別為—9.5°、—8.0°、—6.5°和—5.0°CA ATDC進(jìn)行了仿真計(jì)算。
圖10為不同天然氣噴射時(shí)刻下的缸壓和放熱率結(jié)果的對(duì)比。數(shù)值模擬的結(jié)果揭示了隨著天然氣噴射時(shí)刻的延時(shí)，缸內(nèi)最高爆壓下降，放熱率峰值下降。且隨著天然氣噴射時(shí)刻的延時(shí)，最高爆壓和放熱率峰值的時(shí)刻也延時(shí)出現(xiàn)。
圖10 不同天然氣噴射時(shí)刻下缸壓和放熱率

04、天然氣噴射持續(xù)期的影響
天然氣的噴射持續(xù)期影響著燃料噴射混合在時(shí)間上的跨度，從而影響混合氣的形成質(zhì)量與燃燒。保持天然氣循環(huán)噴射量不變，對(duì)天然氣的噴射持續(xù)期分別為15.5°、18.5°、21.5°和24.5°CA進(jìn)行了仿真計(jì)算。圖11為不同天然氣噴射持續(xù)期下的缸壓和放熱率結(jié)果的對(duì)比。數(shù)值模擬的結(jié)果揭示了隨著天然氣噴射持續(xù)期的縮短，最高爆壓和放熱率峰值上升。
圖11 不同天然氣持續(xù)期下缸壓和放熱率

結(jié)論

(1)隨著柴油與天然氣噴孔周向夾角的增大，天然氣傾向于從其自由射流的兩側(cè)點(diǎn)燃，火核更多的在天然氣射束兩側(cè)形成；由于射流頂端的卷吸效果強(qiáng)于兩側(cè)，前端的燃氧混合物混合程度更高，當(dāng)著火點(diǎn)更多的出現(xiàn)在射束前端時(shí)會(huì)有更好的著火和燃燒效果。
(2) 隨著噴射時(shí)刻的提前，天然氣射流將在較早的時(shí)間接觸和沖擊到更多的已噴柴油，裹挾更多的已噴柴油撞擊壁面，促進(jìn)了已噴柴油的混合燃燒；在自由射流的前端大量形成火核，使天然氣射流著火提前，燃燒等容度上升。
(3) 在循環(huán)噴射量不變的情況下，使天然氣噴射持續(xù)期縮短，天然氣噴孔出口壓力增大，卷吸效果更強(qiáng)，在已噴柴油在缸內(nèi)渦流作用下偏轉(zhuǎn)前接觸和沖擊到更多的已噴柴油；促進(jìn)了已噴柴油的混合和燃燒，使天然氣著火提前。

文獻(xiàn)來(lái)源

[1]李徐程,張尊華,毛立通,龍焱祥,朱晨婷,李格升.天然氣/柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴射及著火特性[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2021,39(01):34-43.
《內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)》是由中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)主辦的國(guó)家級(jí)高級(jí)學(xué)術(shù)刊物，是國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)與研究生教育中文重要期刊，是中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)用刊，被工程索引(EI)等多個(gè)國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)庫(kù)收錄，多年來(lái)一直位居我國(guó)“中文核心期刊要目” 能源與動(dòng)力工程類(lèi)前列。
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