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天然氣/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)燃料噴射及著火特性
2021-02-28 21:27:53· 來源：內(nèi)燃機(jī)學(xué)報 作者：Satisfactory
天然氣作為發(fā)動機(jī)替代燃料以其高效燃燒、清潔環(huán)保及價格低廉等優(yōu)點日益受到重視。缸內(nèi)高壓直噴式(HPDI)柴油微引燃液化天然氣(LNG)發(fā)動機(jī)既能保持原有動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)動機(jī)的工作過程包括微量柴油和天
天然氣作為發(fā)動機(jī)替代燃料以其高效燃燒、清潔環(huán)保及價格低廉等優(yōu)點日益受到重視。缸內(nèi)高壓直噴式(HPDI)柴油微引燃液化天然氣(LNG)發(fā)動機(jī)既能保持原有動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)動機(jī)的工作過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程，其中燃料的噴射及著火過程對發(fā)動機(jī)的燃燒和排放特性有較大影響，因此，需要對發(fā)動機(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 軟件對缸內(nèi)高壓直噴式柴油微引燃LNG發(fā)動機(jī)進(jìn)行模擬計算，探究天然氣噴射時刻、天然氣噴射持續(xù)期、柴油噴射時刻和柴油與天然氣噴孔周向夾角對發(fā)動機(jī)噴霧特性和著火特性的影響。
使用CFD軟件ConVERGE 2.3進(jìn)行發(fā)動機(jī)模擬，為避免額外的計算負(fù)擔(dān)，基于該發(fā)動機(jī)單缸體積的1/7構(gòu)建了循環(huán)邊界的軸對稱模型。計算的起點和終點分別為壓縮行程上止點前90°CA和壓縮行程上止點后140°CA，由此避免了進(jìn)氣閥和排氣閥運動帶來的計算負(fù)擔(dān)。圖1為所用發(fā)動機(jī)模型的三維幾何結(jié)構(gòu)及燃料噴孔位置。為簡化研究，選取甲烷和正庚烷作為天然氣和柴油替代物模型來研究缸內(nèi)高壓直噴式天然氣發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒過程。
圖1 發(fā)動機(jī)CFD模型
圖2為本模型預(yù)測值與文獻(xiàn)試驗氣體射流量綱為1貫穿距數(shù)據(jù)的對比。模擬得到的結(jié)果在橫坐標(biāo)為18至26之間時略高于試驗值，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)動機(jī)仿真模型計算結(jié)果與康明斯單缸試驗機(jī)試驗缸壓、放熱率對比，發(fā)動機(jī)模擬與試驗的工況為歐洲穩(wěn)態(tài)測試循環(huán)B75工況，該工況在測試循環(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)測缸內(nèi)的燃燒過程，能夠滿足計算精度的要求。
圖2 天然氣射流模擬與試驗貫穿距
圖3 不同湍流模型下模擬值與試驗值的對比
圖4為用于切片分析的所選截面。對截面內(nèi)的當(dāng)量比和速度場對比分析缸內(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
保持兩種燃料噴孔與氣缸中心軸的夾角不變，通過改變柴油和天然氣射流中心軸線夾角來探究該因素對發(fā)動機(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α為0°、5°、10°和15°進(jìn)行了仿真計算。
圖6為不同夾角下缸壓和放熱率的結(jié)果對比。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的夾角較大時，自由射流的前端接觸的已噴柴油較少，使得動量損失降低，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，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，就穿過循環(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，起噴后9°CA已噴柴油幾乎全部穿過循環(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，已噴柴油部分穿過循環(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傾向于出現(xiàn)在射束周圍的燃氧混合物中，使得燃燒滯后，缸內(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
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，對天然氣噴射時刻(SOI)分別為—9.5°、—8.0°、—6.5°和—5.0°CA ATDC進(jìn)行了仿真計算。
圖10為不同天然氣噴射時刻下的缸壓和放熱率結(jié)果的對比。數(shù)值模擬的結(jié)果揭示了隨著天然氣噴射時刻的延時，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刻的延時，最高爆壓和放熱率峰值的時刻也延時出現(xiàn)。
圖10 不同天然氣噴射時刻下缸壓和放熱率
天然氣的噴射持續(xù)期影響著燃料噴射混合在時間上的跨度，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
(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)著火點更多的出現(xiàn)在射束前端時會有更好的著火和燃燒效果。
(2) 隨著噴射時刻的提前，天然氣射流將在較早的時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。
[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)動機(jī)燃料噴射及著火特性[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報,2021,39(01):34-43.
《內(nèi)燃機(jī)學(xué)報》是由中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會主辦的國家級高級學(xué)術(shù)刊物，是國務(wù)院學(xué)位委員會與研究生教育中文重要期刊，是中國科技論文統(tǒng)計用刊，被工程索引(EI)等多個國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫收錄，多年來一直位居我國“中文核心期刊要目” 能源與動力工程類前列。
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