柴油引燃天然气缸内直喷喷射混合及燃烧排放过程研究

摘要

天然气发动机技术使低十六烷值燃料在柴油机上获得了应用，缓解了能源危机，降低了排放。一些研究表明，柴油引燃天然气缸内高压直喷天然气发动机能够避免进气道喷射天然气存在的缺陷，但是柴油引燃天然气同轴喷射器的开发存在困难。本文基于柴油机原型喷油器设计了柴油天然气同轴喷射系统，探索柴油引燃天然气喷射混合特性以及基于该系统的天然气发动机的性能。
　　本文设计了柴油引燃天然气同轴喷射器结构，并基于柴油机原型喷油器设计了该同轴喷射器的关键参数。对现有的喷油器进行改装，实现了天然气高压喷射。搭建了基于纹影仪可视化射流测试系统，进行了不同喷射压力下天然气射流的特性研究。
　　基于本文设计的同轴柴油天然气双燃料喷射器，开展了柴油引燃天然气缸内高压直接喷射及混合过程的数值模拟，设置气体入口，研究了湍流模型、WAVE喷雾模型参数对模拟结果的影响，并对计算结果与文献中的实验结果进行对比，验证了计算模型的可行性。在此基础上，研究了柴油喷孔和天然气喷孔相对位置对油、气喷射及混合过程的影响。
　　进一步针对天然气和柴油喷射策略分别研究了天然气替代率、柴油和天然气喷射率、天然气喷射速率以及引燃柴油喷射定时等因素对天然气发动机的燃烧排放的影响。分析了不同因素影响下发动机的缸内温度、缸内压力、放热率以及NO和Soot排放。
　　实验结果表明，天然气在喷孔出口处存在马赫盘结构，随着喷射时间增加，射流头部与空气相互扩散，趋于均匀;随着喷射压力的增大，气体射流头部面积增大，与周围空气作用加强，射流变宽。对柴油引燃天然气缸内直接喷射过程以及燃烧过程的模拟计算表明，喷孔高度越大，倾斜角越大，交角越大，获得的喷雾贯穿距越长，SMD值越小;喷孔之间的相对位置决定了油气射流之间能量传递，从而影响了油气贯穿距以及雾化效果;喷孔相对位置中喷孔交角因素对油气射流的影响最大，对引燃柴油喷雾的雾化效果改善明显。
　　数值分析结果表明天然气替代率对NO的改善效果明显;马鞍形与驼峰形喷射率曲线在喷射后期的喷射压力高，起到类似于后喷的作用，使得Soot氧化效果好，有效减小Soot排放;适当放缓的末期喷油率能保持较低的NO和Soot;喷油末期以及喷气末期的喷射率对于缸内平均温度以及缸内平均压力的影响效果明显;柴油引燃喷射期内的喷油率对于NO和soot排放的影响起主要作用;引燃柴油喷射时刻的提前，虽然提高了发动机的性能，但是使发动机的压力升高率增大。
　　本文的研究成果对进一步发展天然气发动机具有重要意义，对指导柴油引燃天然气缸内高压直喷天然气发动机的设计开发有一定参考价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 天然气发动机研究现状

1．2．1 天然气发动机分类

1．2．2 缸内高压直喷天然气发动机研究现状

1．3 天然气射流研究发展概况

1．3．1 天然气射流模型发展

1．3．2 天然气射流特性研究现状

1．4 本文主要研究内容

第2章 柴油引燃天然气喷射实验系统及天然气喷射测试

2．1 柴油天然气同轴喷射器设计

2．1．1 油气同轴喷射器结构设计

2．1．2 油气同轴喷射器结构参数设计

2．2 柴油天然气同轴喷射测试实验系统

2．2．1 纹影仪测试系统

2．2．2 燃料供给系统

2．2．3 控制系统

2．3 不同天然气喷射压力对射流特性的影响分析

2．3．1 气体射流随时问发展

2．3．2 气体喷射压力对射流的影响

2．4 本章小结

第3章 柴油引燃天然气喷射及燃烧排放计算模型

3．1 引燃柴油喷雾雾化机理

3．1．1 初次雾化模型

3．1．2 二次雾化模型

3．2 天然气射流基本理论

3．2．1 气体射流模型

3．2．2 气体射流贯穿距

3．3 射流混合作用分析

3．4 天然气发动机燃烧排放控制模型

3．4．1 基本控制方程

3．4．2 湍流模型

3．4．3 燃烧模型

3．4．4 排放模型

3．5 本章小结

第4章 柴油引燃天然气喷射混合过程研究

4．1 模型建立

4．1．1 几何模型建立

4．1．2 网格划分及边界条件

4．2 相关定义与计算模型

4．2．1 柴油和天然气射流贯穿距的定义

4．2．2 湍流模型

4．2．3 WAVE破碎模型

4．3 数值模拟结果验证及研究方案设计

4．3．1 模拟结果验证

4．3．2 天然气与柴油喷孔相对位置方案设计

4．4 模拟结果分析

4．4．1 喷孔高度对射流的影响

4．4．2 喷孔倾斜角对射流的影响

4．4．3 喷孔交角对射流的影响

4．4．4 喷孔位置随时间变化对射流的影响

4．5 本章小结

第5章 柴油引燃缸内直喷天然气发动机燃烧排放研究

5．1 计算模型建立

5．2 模型验证

5．3 结果讨论

5．3．1 天然气替代率的影响

5．3．2 引燃柴油喷射定时的影响

5．3．3 天然气喷射速率的影响

5．3．4 天然气和柴油喷射率形状的影响

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间主要学术成果