基于CFD耦合化学动力学的柴油引燃天然气发动机燃烧与排放机理研究

摘要

雾霾作为影响中国最为广泛的环境污染方式之一，严重影响到了我国人民的身体健康。同时，日益增长的能源需求，使我国面临严峻的能源危机。而内燃机既是造成雾霾的主要来源之一，也是能源消耗的主要工具。因此，寻找高效、清洁的内燃机替代燃料，并组织合理的燃烧方式，对于解决我国大气污染与能源危机具有重大意义。天然气作为储量丰富的清洁燃料，在内燃机上应用通常有火花点燃和柴油引燃两种方式，均引起了学者们的广泛关注。仅仅采用火花点火的方式，会因火焰传播速度慢而容易引起爆震和燃烧不稳定等问题。相比于火花点火方式，柴油引燃天然气(Diesel Pilot Ignited Natural Gas, DPI NG)的燃烧方式可以有效解决上述问题。目前，这一燃烧方式广泛应用于重型天然气汽车。　　本研究开展了多种工况下的DPING双燃料发动机试验，基于DPING的试验数据，建立了耦合化学反应动力学机理的三维CFD仿真模型，并利用试验结果对模型的有效性进行了验证。基于化学反应机理，运用Chemkin研究了初始温度、初始压力、当量比和混合比对甲烷/正庚烷(CH4/NC7H16)混合燃料滞燃期的影响。然后，通过试验数据结合GT-Power模拟结果，研究了喷油正时对DPING发动机缸内燃烧过程与排放生成特性的影响。最后，基于验证的CFD模型，研究了喷油夹角、过量空气系数、替代率、涡流比和燃烧室结构对缸内燃烧过程、排放生成特性和热功转换过程的影响。　　论文的研究结果表明：　　(1)在初始温度为800K到1100K的低温区域，滞燃期同时受温度、压力与甲烷摩尔分数的影响。因而，在高甲烷摩尔分数下，提高当量比和增大初始温度可以达到同样缩短滞燃期的效果。而在不同的当量比下，反应R98都是甲烷消耗的最主要原因，反应R342是对温度具有积极影响的重要反应。为了加快燃烧，需要加强有利于反应R98与R342进行的条件。　　(2)喷油夹角对缸压、放热率(HRR)、燃烧效率和指示效率的影响表明必须同时优化喷油夹角和燃烧室的形状，才能在相同喷雾角度下获得最佳燃烧效率和最高指示功。而要获得较理想的燃烧过程，并且兼顾氮氧化物(NOx)、未燃CH4和一氧化碳(CO)的排放，最佳喷油夹角应在120°至160°之间。　　(3)增大喷油提前角虽然可以有效提高最大缸内压力和最大HRR，同时，会导致NOx的迅速增加和碳氢(HC)的轻微上升，但有效热效率却是先升高后降低。另外，喷油提前角对50-90%燃烧持续期的影响比10-50%燃烧持续期的影响大。当CH4能量分数从50%上升到90%，NOx和未燃甲烷排放增加，CO排放量先增加然后减少。　　(4)在50%负荷下，当从1.0增加到1.5时，最大缸内压力增加并且其位置提前，HRR迅速增加的位置也出现的越早。同时，随着?从1.1增加到1.5，放热过程的持续时间会变长，并且最大HRR会降低。随着的变化，NOx和HC表现出“此消彼长”的关系，而保持在1.2以上，CO排放量就会保持在较低水平。　　(5)当涡流比增加时，最大缸内压力和放热率先增加后减小。而随着敞口大小变大和凹槽深度变浅，峰值压力和峰值放热率均变小，SOC和CA50位置在低速高负荷和高速低负荷中均出现了推迟。而涡流比超过2后，继续增加涡流比对初始燃烧阶段的影响变得很小，而要获得最佳CA50位置，需使涡流比维持在1左右。在微量DPING发动机中活塞敞口大小与凹槽深度仍然需要与柴油机类似，这样有利于缸内燃烧。　　通过CFD耦合化学反应动力学模拟研究，揭示了关键参数对DPING发动机燃烧过程和排放形成机理的深层原因，获得了各种工况下各种参数的最优值，为进一步改善微量DPING发动机的动力性和排放性提供了理论依据。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景

1.2天然气发动机技术路线

1.2.1火花点火式天然气发动机

1.2.2柴油引燃天然气发动机

1.3柴油引燃气道喷射燃烧模式的研究进展

1.3.1台架试验研究现状

1.3.2化学反应机理的研究现状

1.3.3 CFD 数值模拟研究现状

1.4课题来源及意义

1.5研究内容

第2章 CFD 模型建立和有效性验证

2.1 CONVERGE 的特色

2.2 流动控制方程

2.2.1连续性方程

2.2.2动量方程

2.2.3能量方程

2.2.4气体状态方程

2.2.5组分输运方程

2.3 CFD 模拟的物理模型

2.3.1湍流模型

2.3.2喷雾模型

2.3.3燃烧模型

2.3.4传热模型

2.3.5排放模型

2.4 试验及模型有效性验证

2.4.1双燃料台架试验

2.4.2计算模型建立

2.4.3三维模型有效性验证

2.5本章小结

第3章 发动机模拟工况下 CH4/NC7H16滞燃期特征

3.1模型参数说明和有效性验证

3.1.1模型建立

3.1.2模型有效性说明

3.2各参数对CH4/NC7H16着火过程的影响

3.2.1单一参数对滞燃期的影响

3.2.2多参数对滞燃期的影响

3.3敏感性分析与生成速率分析

3.3.1不同初始温度下敏感性分析

3.3.2关键中间产物的生成速率分析

3.4本章小结

第4章 喷油参数对柴油引燃天然气燃烧与排放的影响

4.1喷油夹角对双燃料发动机的影响

4.1.1喷油夹角对燃烧过程的影响

4.1.2喷油夹角对排放的影响机理

4.2替代率对双燃料发动机的影响

4.2.1替代率对燃烧过程的影响

4.2.2替代率对排放的机理影响

4.3喷油正时对双燃料发动机的影响

4.3.1一维模型的建立

4.3.2喷油正时对燃烧过程的影响

4.3.3喷油正时对热力学过程的影响

4.3.4喷油正时对排放的影响

4.4本章小结

第5章 关键参数对双燃料发动机燃烧与排放的影响

5.1过量空气系数对双燃料发动机的影响

5.1.1过量空气系数对燃烧过程的影响

5.1.2过量空气系数对排放机理的影响

5.2不同涡流比对双燃料发动机的影响

5.2.1涡流比对燃烧过程的影响

5.2.2涡流比对排放的影响机理

5.3不同活塞形状对双燃料发动机的影响

5.3.1活塞形状对燃烧过程的影响

5.3.2活塞形状对排放的影响机理

5.4本章小结

总结与展望

全文总结

创新点

工作展望

参考文献

附录 A 攻读博士学位期间的科研成果

附录 B 攻读博士学位期间参与的课题

致谢