大缸径天然气发动机汽油直喷点火燃烧特性模拟研究

作     者：陈祥山 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何义团

授予年度：2024年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：复合喷射 天然气/汽油 大缸径发动机 浓度分层 

摘      要：天然气作为一种清洁的化石燃料,在实行低碳发展的当前备受能源行业关注。煤炭开采时通常都会附带产出大量含量较低、浓度不定的甲烷。此类天然气通常采用进气道进气模式,进入发动机燃烧进行就地发电。由于其浓度不定和甲烷基燃料自身不易点燃,燃烧速度慢的属性,在发动机运行过程中常常会出现缸内失火、爆震等非正常燃烧现象。 为了解决低浓度天然气点火困难和燃烧缓慢的问题,可以考虑加入其他燃料强化点火和促进燃烧。汽油作为一种传统燃料,其燃烧速度较快,来源容易,在发动机中的应用技术成熟。汽油在大缸径发动机中大量应用易发生爆震,但可以参考汽油微引燃和分层燃烧等方式,在缸内直喷少量汽油形成分层混合气,实现汽油在大缸径发动机中的局部应用。还可参考在低浓度混合气中掺混少量高活性燃料促进燃烧的方式,在低浓度天然气氛围中喷射少量汽油形成均质混合气促进低浓度天然气的燃烧。为了验证以上方案,本文通过一维和三维仿真软件,建立了发动机的一维和三维燃烧模型进行了模拟研究。论文具体的内容和结果如下: （1）为了在点火时刻实现较好的浓度分层,明晰汽油喷雾及混合气在缸内的发展特征,本文在转速为1000 r/min,全负荷工况下研究了不同过量空气系数、喷油压力和喷油时刻下的汽油喷雾及混合气的发展特性。通过分析缸内汽油浓度场、甲烷浓度场和当量比分布的云图发现在不同过量空气系数下,汽油混合气随过量空气系数的增大逐渐向排气侧发展,且分层区域逐渐变大,区域内浓度逐渐减小。在不同喷油压力下,喷油压力越大,汽油雾化扩散的越快,分层区域随之变大,形成较好浓度分层形态所需时间逐渐缩短。在不同喷油时刻下,早喷会形成面积大、浓度较低的分层区域,晚喷会使汽油喷雾及混合气更加集中,分层区域浓度相对较高。 （2）为了实现汽油在大缸径发动机中的局部应用,探究稀薄天然气掺混少量汽油均质燃烧的燃烧特性,明确汽油直喷点火对稀薄天然气发动机燃烧特性的影响,对比研究了分层燃烧和均质燃烧的燃烧特性,并与纯天然气进行了对比。分析了不同燃烧模式下的宏观燃烧特性和微观燃烧特性,发现缸内局部浓度分层条件下,随着喷油与点火间隔的增大,CA0-CA5所用时间逐渐缩短,CA5-CA90所用时间逐渐延长。浓度分层条件下的最高效率为38.9%,对应点火时刻为-24°CA BTDC。在均质燃烧模式下没有出现非正常燃烧现象,总体燃烧规律与分层燃烧一致,其最高效率为38.5%,对应点火时刻为-28°CA BTDC。两种模式都对稀薄天然气的燃烧起到促进作用,分层燃烧较纯天然气效率提高了3.2%,均质燃烧提高了2.8%。 （3）为了探究汽油直喷点火对稀薄天然气的促燃稳燃特性,采用浓度分层模式在较高过量空气系数下,研究了喷油量对低浓度天然气促燃稳燃的影响;在不同过量空气系数下,研究了浓度变化对汽油直喷点火燃烧特性的影响。研究结果表明,过量空气系数为1.8的条件下,在一定喷油量范围内,喷油量越多,缸内稳燃的效果越好。对比15 mg和5 mg喷油量的燃烧持续期,发现15 mg喷油量CA0-CA5所用时间较5 mg时缩短了22.1%,CA5-CA90所用时间缩短了38.4%。指示热效率从5 mg的37.14%提高到了15 mg的38.73%。在不同过量空气系数下,CA0-CA5、CA5-CA90所用时间的差值随过量空气系数的减小逐渐缩短,说明汽油直喷点火在较高浓度氛围下强化点火效果减弱,更多起到促燃的作用,相反在较低浓度氛围下汽油直喷点火主要起到稳燃的作用。在较大喷油量和较浓混合气下,缸内温度上升较快,处于高温富氧状态,致使NOX随喷油量和过量空气系数的增大而增加。然而,高温富氧环境促进了SOOT的氧化,使SOOT的排放与NOX完全相反。