天然气/柴油双燃料喷射混合特性与燃烧模拟研究

摘要

随着全球石油资源短缺，各国排放法规日益严格，天然气发动机的开发和应用成为发动机行业的研究热点。研究表明，普通的进气道低压喷射天然气发动机存在动力下降，未燃气体排放增加，冷启动困难等缺陷。而缸内高压直喷式天然气发动机能够采用高压缩比工作方式，动力性能与同排量柴油机接近，燃烧更充分，CO2， NOx，PM等污染物排放均大幅降低。对缸内高压直喷天然气/柴油发动机而言，其内部燃料的喷射雾化，与空气混合情况以及天然气替代率对发动机内部燃烧以及排放具有重要影响。
　　本文进行了定容弹内双燃料射流混合过程可视化实验研究，模拟柴油微引燃式天然气发动机内部燃料发展情况。设计了一套能够实现天然气/柴油双燃料缸内高压直喷的同轴喷射器，并以某型柴油喷射器为原型，提出了该同轴喷射器的关键参数。考虑到实际加工的成本，本文又以该同轴喷射器为原型，设计了一套加工难度与成本低的组合式天然气/柴油双燃料喷射器，实现天然气/柴油双燃料缸内高压喷射功能。
　　实验采用纹影以及高速摄影技术，拍摄定容弹内部的双燃料射流发展过程。研究了定容弹内背压，天然气喷射压力，柴油喷射压力，天然气/柴油喷射时刻相位差等因素对双燃料射流发展过程的影响。研究结果表明：（1）随着背压增大，天然气与柴油射流贯穿距均减小，锥角均增大；（2）天然气喷射压力增大，天然气射流贯穿距与锥角同时增大，促进了与柴油的混合；（3）柴油喷射压力增大，也能够提高柴油的贯穿距与锥角。文中对比了双燃料同时喷射与分别单独喷射天然气和柴油射流的特征，发现了柴油动量传递给天然气射流的现象；（4）相位差为-1ms时，天然气过早喷射，阻碍了柴油的雾化过程，相位差为0.5ms时，雾化后的柴油与天然气射流锋面混合良好；相位差1ms时，造成了雾化后柴油与天然气射流混合不良情况，不利于双燃料引燃。
　　本文创新地采用在定容弹内部安装ω型燃烧室模型，测试双燃料碰壁现象，研究表明，天然气与柴油碰壁过程存在瞬态自由射流，射流初始碰壁，射流碰壁发展以及射流碰壁终了四个阶段，燃烧室距喷孔垂直距离越大，碰壁后形成的涡流越小，燃料间的相互作用越小。
　　以本文设计的双燃料同轴直喷喷射器为原型，进一步开展了缸内高压直喷天然气发动机（HPDI）燃烧特性和尾气排放的数值模拟研究。分析了50％，60%，70%以及80%这四种不同天然气替代率对缸内平均压力、温度、放热率以及NO和Soot排放的影响。结果表明，随着天然气替代率的提高，发动机缸内平均压力以及温度下降；提高天然气替代率能够大幅度降低NO与Soot的排放。
　　本文的研究成果对天然气发动机研发设计具有重要意义，对指导柴油引燃天然气缸内高压直喷天然气发动机有一定参考价值。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 天然气发动机研究现状

1.3 本文主要研究内容

2天然气/柴油双燃料定容弹喷射实验系统

2.1纹影仪及其测量原理

2.2天然气/柴油双燃料喷射器设计

2.3燃料供给与控制系统

2.4本章小结

3天然气/柴油定容弹内高压直喷实验结果分析

3.1背压对双燃料射流发展的影响

3.2天然气喷射压力对混合过程的影响

3.3柴油喷射压力对柴油射流发展的影响

3.4不同喷射相位对缸内混合的影响

3.5定容弹内双燃料碰壁实验

3.6本章小结

4 HPDI天然气发动机燃烧排放的数值模拟

4.1研究背景

4.2物理模型与研究方案

4.3结果讨论

4.4本章小结

5总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的科研成果