双燃料发动机燃烧和排放特性数值模拟研究

发布时间：2020-05-17 13:31

【摘要】：近年来,石油等化石能源储量日益匮乏,社会对其的需求量不断增长,IMO MEPC制定了越来越严苛的船舶排放法规,这些无疑对船舶柴油机节能环保水平提出了更高的要求,促使船舶柴油机朝着节能和低排放的方向发展。天然气具有燃烧温和、热值高、低排放的特点,天然气-柴油双燃料发动机受到人们的关注。本文将基于4190Z_LC-2型柴油机实验平台,应用AVL-FIRE软件建立天然气-柴油双燃料发动机缸内燃烧高压循环工作模型,在验证模型准确性的基础上,研究了发动机主要运行参数水平变化对双燃料发动机燃烧和排放特性的影响规律,并对主要运行参数进行了优化匹配的研究。首先,通过4190 Z_LC-2型柴油机台架实验数据以及AVL-BOOST整机模型计算得到仿真模型的初始条件和边界条件,利用AUTO-CAD软件依据4190 Z_LC-2型柴油机燃烧室实测的几何尺寸,绘制二维模型图;然后将其导入到AVL-FIRE的ESE模块,ESE模块自动完成划分、检查、生成三维网格;在FIRE的气相反应模块中添加适合天然气-柴油混合燃料燃烧的化学反应机理文件。然后将模型仿真得到的缸压曲线与台架试验得到的缸压曲线进行比较,验证了建立模型的准确性,完成天然气-柴油双燃料发动机缸内燃烧高压循环模型的建立;其次,利用所建立的燃烧室三维仿真模型进行数值模拟计算。在额定工况下,通过FIRE计算得到的二维、三维结果研究分析运行参数中天然气替代率、EGR率、进气温度、进气压力、喷油提前角5个重要的单参数水平变化对双燃料发动机的燃烧和排放特性的影响规律;其中在额定工况下,天然气替代率分别为40%、50%、60%、70%;EGR率为0、7.5%、10%、12.5%;进气压力为0.173MPa、0.193MPa、0.213MPa、0.223MPa;进气温度为325.15K、335.15K、345.15K、355.15K;喷油提前角为16.6°、18.6°、20.6°、22.6°。最后,采用正交试验设计安排仿真计算,对前文5个运行参数进行多参数优化匹配研究,对仿真结果进行极差分析,与前文单参数优化方案进行比较分析,得到了以指示功率、NOx排放量为评价指标的初步优化组合;然后,采用一次回归正交试验设计对这5个运行参数和它们的2组参数交互作用进行研究,对评价指标再优化,建立起回归方程数学预测模型,对正交试验设计、极差分析、一次回归正交设计三个优化结果进行比较分析,得到评价指标最佳的参数组合,为天然气-柴油双燃料发动机的设计和改造提供指导。
【图文】：

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总管进气发动机系统简单，只需要一套混合器和燃气供应系存在可燃混合气，具有爆炸的危险；同时由于采用预混合燃烧，对燃进气是在发动机每个进气支管安装一个喷射阀或在气缸盖安装燃气喷的燃气喷射装置可实现多点喷射，单缸可实现空燃比、燃气供应量的发动机的经济性，降低氮氧化物排放。但是支管进气仍有爆燃问题，偏高。电火花点火式发动机发动机以纯天然气为燃料，多用于四冲程机。如图 1-1 所示，天然气道时，与空气在进气道预混合，然后形成混合气进入气缸，在压缩行，点燃混合气。该类发动机进气压力偏低，一般小于 0.5MPa。斯·罗伊斯公司一直致力于气体发动机的开发研究，开发出了以纯天然式的船用气体发动机。1991 年该公司研制出了第一台稀薄燃烧气体船用电力推进气体发动机。该公司的气体发动机主要型号为 Bergen26:33 两种系列，功率范围在 1450-8760KW 之间。

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图 1-2 低压双燃料四冲程发动机示意图高压双燃料发动机发动机可在不同的燃气和燃油比例下或纯柴油模式下运行，工作原理如机运行时，只吸入空气，空气在压缩行程被压缩，可以达到较高的压缩比专业压缩机压缩至 20-35MPa 的高压，在压缩终点由独立的喷射阀喷入也喷入气缸，，进而引燃混合气。该类发动机在大型低速双燃料发动机上
【学位授予单位】：集美大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U664.1

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