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柴油引燃天然气发动机缸内流场演变规律的研究

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柴油引燃天然气发动机缸内流场演变规律的研究

作者：陈文静吉林大学

学位级别：硕士

严峻的能源形势、汽车排放物的污染及日趋严格的排放法规,推动着内燃机净化技术的不断发展。柴油引燃天然气发动机凭借其低使用成本、高排放清洁度、高热效率潜力等方面的优势而受到了广泛关注。目前,由于其中低负荷THC排放高、热效率低... 详细信息

严峻的能源形势、汽车排放物的污染及日趋严格的排放法规,推动着内燃机净化技术的不断发展。柴油引燃天然气发动机凭借其低使用成本、高排放清洁度、高热效率潜力等方面的优势而受到了广泛关注。目前,由于其中低负荷THC排放高、热效率低,高负荷时易爆震燃烧等问题的存在而阻碍了其应用领域的拓展。内燃机缸内气体的流动过程和分布形式直接决定着燃烧过程的优劣,而发动机转速、进排气系统、燃料供给策略、燃烧室形状与尺寸等都会直接影响缸内流场的演变历程。本研究以一台由柴油机改装的柴油引燃天然气发动机为原型,利用数值模拟平台,对发动机缸内气流运动轨迹、混合气的形成过程和燃烧过程展开了研究,为深入理解并合理组织柴油引燃天然气发动机缸内的流动提供数据积累。首先针对1335 r/min、238N·m工况下原机缸内的气流运动过程进行了分析,结果表明:在进气过程初期,经过螺旋气道的气流起主导作用,缸内以旋流运动为主,并夹杂微小涡团,旋转惯性能够一直持续到做功行程。缸内平均湍动能在进气门开启和喷油时出现两个峰值,同时进气行程中较高的湍动能不能持续到压缩行程后期,耗散较快。天然气在进气行程主要进行轴向掺混,在压缩行程主要进行径向掺混,最终形成“弱分层”分布规律。缸内柴油分布集中且燃烧迅速,没有充分发挥引燃作用;柴油较多分布于天然气稀区,火焰由天然气稀区向浓区传播速度较慢;此外做功行程燃烧室底部、缸壁附近、缸盖顶部中心区域气流运动较弱,其附近混合气大部分没有参与燃烧。以上结果分析了在低负荷工况下天然气燃烧率低的原因,也为合理组织缸内的流场提供了方向。通过在1335r/min、238N·m和1656 r/min、286N·m两个工况下,对喷油时刻、喷油压力、燃烧室形状、喷气时刻的单一变量模拟研究发现:喷油提前时对应油束下方的滚流半径较大,柴油向缸壁和燃烧室壁扩散加快,喷油引起的湍动能呈增大趋势,但缸内的整体湍动能水平与喷油始点缸内的湍动能息息相关。柴油呈非均匀分布,此时天然气呈上稀下浓分布规律,火焰由天然气浓区传播至稀区,速度较快,天然气及总燃料的燃烧重心前移,天然气剩余量减少。提高喷油压力能够提升喷油引起的湍动能,但提升幅度有限,并显著提高柴油的雾化质量,部分柴油更早到达燃烧室壁面,从而改变了火焰传播路径,柴油和天然气的CA10、CA50燃烧相位前移,剩余量均呈降低趋势。喷油压力和喷油时刻合理匹配能够实现较好的燃料分布和燃烧效果。合理设计燃烧室形状能显著提高发动机压缩行程后期和做功行程的湍动能,本文设计的2#燃烧室能够显著加强滚流运动,3#燃烧室能够显著提高涡流运动,均使柴油蒸汽向燃烧室底部延伸,天然气变为内稀外浓分布,压缩行程后期开始的持续大范围的湍流运动使柴油燃烧速率降低,天然气燃烧速率加快,其中3#燃烧室可使天然气剩余量减少9%。喷气时刻对气门开度最大位置前后的缸内流动影响较为明显,推迟喷气时,天然气的CA10和CA50燃烧相位提前,主要是由于喷气时刻后移时天然气变为上浓下稀分布,火焰由天然气浓区传向稀区,燃烧速度加快。从对湍动能的影响程度考虑,喷气时刻对进气行程影响较为敏感,燃烧室形状对压缩和做功行程影响较为敏感。

关键词：柴油引燃天然气发动机流场燃烧过程数值模拟

不同燃烧模式下柴油引燃天然气发动机的燃烧特性

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Journal of Central South University 2022年第7期29卷 2213-2224页

作者：靳守营李金泽字振源刘亚龙邬斌扬 State Key Laboratory of Engines Tianjin UniversityTianjin 300072China

在“碳达峰”“碳中和”的大背景下,各大发动机制造商越来越关注减少二氧化碳排放,因此对双燃料发动机的研究也变得越来越重要。不同的混合气形成方式决定了不同的燃烧模式,在双燃料发动机中柴油引燃天然气发动机具有显著的排放优势。... 详细信息

在“碳达峰”“碳中和”的大背景下,各大发动机制造商越来越关注减少二氧化碳排放,因此对双燃料发动机的研究也变得越来越重要。不同的混合气形成方式决定了不同的燃烧模式,在双燃料发动机中柴油引燃天然气发动机具有显著的排放优势。本研究采用数值模拟和实验相结合的方法,探讨了高压直喷(HPDI)、部分预混压缩点火(PPCI)和双先导喷射预混压缩点火(DPPCI)燃烧模式在中低负荷下的燃烧特性。结果表明,与其他模式相比,DPPCI燃烧模式的总指示热效率(ITEg)更高而总碳氢化合物(THC)排放更低。由于DPPCI具有较好的性能,对其进行了进一步的实验研究,以探索双先导喷射策略对燃烧过程的影响。在DPPCI模式下,第二次引燃柴油喷射时间的延迟会增加THC排放,减少氮氧化物的排放,ITEg表现为先升高后降低,在中低负荷下ITEg可以达到50.4%。

关键词：柴油引燃天然气发动机天然气直喷燃烧模式热效率排放

引燃油量对柴油引燃天然气发动机燃烧特性的影响

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汽车工程 2015年第4期37卷 375-379,386页

作者：刘杰张欣杨福源王贺武欧阳明高北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京100084

在一台由六缸柴油机改造的柴油引燃天然气发动机上进行试验,以分析引燃柴油量对该发动机燃烧过程的影响。结果表明:随着引燃柴油量的增加,放热率曲线由双峰逐渐过渡为单峰,发动机热效率明显提高。压力升高率随引燃油量的增加和喷油时刻... 详细信息

在一台由六缸柴油机改造的柴油引燃天然气发动机上进行试验,以分析引燃柴油量对该发动机燃烧过程的影响。结果表明:随着引燃柴油量的增加,放热率曲线由双峰逐渐过渡为单峰,发动机热效率明显提高。压力升高率随引燃油量的增加和喷油时刻的推迟而降低,而燃烧持续期随引燃油量的增加变化不大。

关键词：柴油引燃天然气发动机燃烧特性

基于模型的柴油引燃天然气发动机控制系统开发与气路控制研究

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基于模型的柴油引燃天然气发动机控制系统开发与气路控制研究

作者：马子焜哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着排放法规的日益严格和能源危机的日益加重,近年来,内燃机替代燃料的研究越来越受重视,其中柴油引燃天然气发动机成为研究热点。但是柴油引燃天然气发动机在中低负荷下存在THC和CO排放高、效率低等问题,主要原因在于引燃油喷射策略... 详细信息

随着排放法规的日益严格和能源危机的日益加重,近年来,内燃机替代燃料的研究越来越受重视,其中柴油引燃天然气发动机成为研究热点。但是柴油引燃天然气发动机在中低负荷下存在THC和CO排放高、效率低等问题,主要原因在于引燃油喷射策略不灵活、缸内混合气浓度不合适。通过对柴油引燃天然气发动机的控制需求进行分析,本文采用基于模型的开发方式建立了由高压共轨柴油系统、天然气单点进气系统和节气门进气系统组成的的一体化整机控制模型。相较于传统开发方式,基于模型的开发具有图形化界面、早期验证、文档自动生成、开发周期短等优势。柴油引燃天然气发动机控制系统采用基于油量的控制方式,以恒转速闭环控制为核心,轨压闭环控制为基础,协调控制柴油喷射量、天燃气喷射量和节气门开度。其中,轨压控制采用前馈量加变PID闭环控制器的控制策略,实验结果显示稳态误差小于1MPa,瞬态超调小于2MPa,响应时间小于300ms。转速控制和节气门位置控制采用适合发动机实时控制的变PID闭环控制器的控制算法,达到较好的控制效果。另外,提出了基于模型的进气量估计方法,由此开发出气路控制策略,一方面气量-角度的模型结构可以用作λ控制的前馈量,另一方面气量闭环结构通过改变节气门开度控制过量空气系数,实验结果证明该策略有效提高发动机在变负荷下的调速性能,。在低负荷下研究了预喷正时、预喷量比例、喷射压力、节气门开度对发动机燃烧和排放性能的影响。实验结果表明,采用本课题所研究的柴油引燃天然气发动机控制系统,通过调节引燃油喷射参数、改变过量空气系数可以有效优化低负荷下缸内燃烧性能进而减少THC和CO的排放,但各个优化目标存在互斥现象,需要综合权衡以满足性能和经济性要求。

关键词：柴油引燃天然气发动机基于模型的开发气路控制排放性能

喷油器对柴油引燃天然气发动机性能影响的试验研究

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喷油器对柴油引燃天然气发动机性能影响的试验研究

作者：许瑞吉林大学

学位级别：硕士

柴油引燃天然气发动机的主燃料是天然气,柴油起引燃作用,柴油的燃烧过程直接影响着天然气的着火及随后燃烧过程。喷油器作为喷油系统的重要组成部分,其喷孔数目、孔径、锥角等几何参数直接决定了柴油雾化质量,进而影响了天然气-空气混... 详细信息

柴油引燃天然气发动机的主燃料是天然气,柴油起引燃作用,柴油的燃烧过程直接影响着天然气的着火及随后燃烧过程。喷油器作为喷油系统的重要组成部分,其喷孔数目、孔径、锥角等几何参数直接决定了柴油雾化质量,进而影响了天然气-空气混合气的着火点和着火区域。与原柴油机匹配的喷油器,并不一定能使柴油引燃天然气发动机性能达到最优。为了探索喷油器对柴油引燃天然气发动机性能的影响规律,为工程研究提供试验数据,本文对6组不同喷嘴结构的喷油器进行了试验研究。试验中选取了三种孔径,原机孔径(0.167mm),大孔径(0.193mm)和小孔径(0.132mm)。研究结果表明:低负荷工况下,随着喷油时刻的提前,小孔径的缸压峰值与原机和大孔径相比,呈下降趋势。小孔径的燃烧始点SOC(start of combustion)、燃烧重心CA50(crank angle at which 50%of the total energy releases)先是比另两组喷嘴提前,后又比另两组喷嘴延迟。这是因为小孔径的燃油雾化较好,随着喷油时刻的提前,油气混合时间增加,使其雾化较好的优势被抑制。在喷油时刻较小时,小孔径的热效率最高,随着喷油时刻的提前,小孔径和原机的热效率基本重合,大孔径的热效率一直较低。孔径较小时,一方面雾化较好;另一方面,油束射程较短,而相邻油束的外缘夹角变小或重叠,减少了燃油空间分布。转速增大时,涡流强度增加,大孔径的贯穿距离受到抑制,热效率相对减小更多。当喷油时刻较小时,孔径较小的THC及CO排放较低,NOx及CO2排放较高。随着喷油时刻增加,三组喷嘴的THC、CO排放都是先降低后升高,孔径越小,拐点越靠近上止点。试验中选取了三种锥角,原机锥角(上下两层均为152°)、分层锥角(上层153°下层119°)及小锥角(上下两层均为142°)。研究结果表明:低负荷工况下,随着喷油时刻的提前,缸压峰值从高到低依次为原机锥角、分层锥角、小锥角。A转速下三组喷嘴的燃烧始点基本重合,C转速下燃烧始点原机锥角最早,分层锥角次之,小锥角最迟。这是因为喷雾锥角较小,则燃油雾化程度变差,且不能有广泛地分布在燃烧室空间中,而锥角较大时,燃油贯穿距离变短。分层锥角与另两组喷嘴相比,一方面,其燃油分布范围更广,增加了天然气着火区域;另一方面,锥角下层119°使得其油束落点较低,减少了燃油与空气的接触,且天然气被引燃后,传播方向减少。A转速下,在热效率曲线的拐点之前,随着喷油时刻的提前,原机锥角的热效率一直高于其它两组喷嘴,C转速下,小锥角的热效率一直比另两组喷嘴低。三组喷嘴的CO排放从高到低依次为:小锥角>分层锥角>原机锥角,CO2及NOx排放的规律恰好相反。此外,试验还选取了增加孔数、减少孔径的喷嘴(10孔*0.155mm),原机喷嘴为8孔*0.167mm。研究结果表明:低负荷工况下,A转速下两组喷嘴的缸压峰值基本重合,C转速下原机喷嘴更高。随着喷油时刻的提前,与原机相比,增加孔数、减少孔径时,燃烧始点先基本重合,然后更靠近上止点,燃烧重心先是更远离上止点,然后是更靠近上止点。增加孔数、减少孔径时,一方面能改善燃油的雾化及分布,另一方面,会受到油束间干涉现象及目标轨压稳定时间短的制约。随着喷油时刻的提前,原机喷嘴的热效率始终高于增加孔数、减少孔径的喷嘴。增加孔数、减少孔径时,THC及CO排放高于原机,CO2及NOx排放低于原机。在中负荷工况下以及不同压力、不同替代率下得出了基本类似的规律。

关键词：柴油引燃天然气发动机喷油器孔径锥角孔数*孔径

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双层喷油器锥角对双燃料发动机性能的影响

吉林大学学报（工学版） 2020年第3期50卷 842-849页

作者：王忠恕付晓东王丹许允许瑞吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室长春130022

在一台6缸增压中冷重型柴油引燃天然气发动机上,试验研究了不同喷射参数下,不同规格的双层喷油器对燃烧、排放及经济性的影响。自行设计并加工了两种不同规格喷射锥角的双层喷油器,分别为双层142°锥角(喷油器1)和上层153°、下层119°... 详细信息

在一台6缸增压中冷重型柴油引燃天然气发动机上,试验研究了不同喷射参数下,不同规格的双层喷油器对燃烧、排放及经济性的影响。自行设计并加工了两种不同规格喷射锥角的双层喷油器,分别为双层142°锥角(喷油器1)和上层153°、下层119°锥角(喷油器2),分别与喷油时刻(17~31°CA BTDC)、喷油压力(70、140 MPa)相匹配,保持天然气能量替代率为90%,分析了转速为1656 r/min,25%负荷(B25工况)情况下两种喷油器对边界条件变化的敏感程度。结果表明:B25工况下,两喷油器对应的燃烧相位、热效率、排放随喷油时刻的变化规律与随喷油压力的变化规律基本相同;采用喷油器2可以获得更高的热效率和更低的THC排放,同时燃烧相位比喷油器1提前,着火延迟期和燃烧持续期也相对更短,燃烧速度更快;相对于70 MPa的喷油压力,采用140 MPa的喷油压力,仅使最佳喷油时刻延后,对热效率和排放的最优值影响不大。

关键词：动力机械工程喷雾锥角柴油引燃天然气发动机喷射参数燃烧相位

小喷油量情况下喷油孔截面积对喷油器喷射性能的影响

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内燃机与配件 2017年第7期 19-25页

作者：高阳邓俊李理光同济大学中德学院上海201804 卡鲁大学内燃机研究所卡鲁76131 同济大学汽车学院上海201804

本文对一款商用系列电磁阀喷油器进行了建模仿真,通过与实验数据中的喷油速率和喷油量map图的对比验证了模型的可靠性,论文主要研究了小喷油量情况下喷油孔截面积对于喷油器单次和多次喷射性能的影响。研究结果表明:喷油器在较小的激励... 详细信息

本文对一款商用系列电磁阀喷油器进行了建模仿真,通过与实验数据中的喷油速率和喷油量map图的对比验证了模型的可靠性,论文主要研究了小喷油量情况下喷油孔截面积对于喷油器单次和多次喷射性能的影响。研究结果表明:喷油器在较小的激励脉宽下随着喷油孔总流通截面积的减小,喷油量先增大后减小,而针阀升程却单调上升。同时,当喷油孔截面积较小时,喷油量的相对循环波动也较小。因此,为了满足柴油引燃天然气发动机对柴油喷嘴最小喷油量的需求,同时保证针阀能够稳定的开启(针阀升程较大)、保证喷射的稳定性,需要适当地选择喷油器尺寸。

关键词：电磁阀喷油器喷油孔截面积喷射性能柴油引燃天然气发动机