燃油喷射对微喷引燃双燃料发动机燃烧特性影响研究

发布时间：2020-07-05 21:05

【摘要】：能源短缺和环境污染是现阶段全世界都在关注的问题,作为石油消费大户的船舶发动机,随着船舶能效和排放法规的日趋严格,对其经济性和污染物排放控制的要求越来越高,迫使船舶发动机向新能源转型,天然气作为储量极其丰富的一次替代清洁能源,受到人们的广泛关注。但天然气发动机存在充气效率低、缸内火焰传播速度慢等问题,导致其功率密度不及传统柴油机,而柴油/天然气双燃料发动机具有较大功率密度和低燃料消耗,能够实现模式的冗余和备份,在确保发动机安全可靠运行的同时显著降低发动机的排放,是当前实现船舶节能减排最现实的技术途径。在微喷引燃双燃料发动机中,过量空气系数、引燃柴油喷射参数的变化会改变缸内混合气浓度、点火能量以及点火时刻,进而影响缸内燃料的燃烧过程。故为了合理组织缸内的燃烧以优化双燃料发动机的动力性、排放性,研究不同过量空气系数条件下,燃油喷射参数(微喷量、微喷正时)的变化对发动机燃烧特性的影响非常重要。故本文采用三维数值模拟的方法,结合FIRE软件对6K双燃料发动机1800r/min、100%负荷、扭矩1607N*m、功率303kw工况点,过量空气系数分别为2.1、2.3,微喷量分别为为1%、2.5%、5%、10%,喷射正时分别为715°CA、710°CA、707.5°CA、705°CA进行了仿真计算,分析并归纳了微喷量、微喷正时的变化在缸内不同过量空气系数环境下对该发动机燃烧特性的影响规律,为该发动机性能的优化提供指导。结果表明,在所研究范围内,微喷量的提高和微喷正时的提前,都会提高缸内压力、温度、放热率的峰值,加快缸内的燃烧进程,缩短缸内燃料的燃烧持续期,提高发动机的动力性和热效率,降低发动机未燃碳氢的排放,增加发动机NO的排放。但缸内燃料的滞燃期会随着微喷量的增加逐渐缩短,反而会随着微喷正时的提前逐渐增加,导致发动机的燃烧噪音也会随微喷量的增加逐渐降低,随微喷正时的提前逐渐增加。当微喷量为2.5%、微喷正时为707.5°CA时,发动机燃油的经济性最高,排放性最好。缸内过量空气系数由2.1提高到2.3,会使缸压、燃料的燃烧持续期、发动机未燃碳氢的排放有所增加,而温度、放热率的峰值、发动机NO的排放有所降低。当发动机缸内的平均压力、平均温度较高时,适当提高缸内的过量空气系数,可在发动机未燃碳氢排放增加量很小的基础上,进一步提高发动机的动力性并显著降低发动机NO的排放。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U664.1
【图文】：

示意图,工作过程仿真,双燃料发动机,流程

机缸内混合气的涡流、滚流、湍流等运动是无法使用先进的仪器准确目前研究人员大多采用 CFD 技术来模拟研究发动机缸内的各种工作的计算，可得到发动机缸内任意曲轴转角下的气体流动、燃烧状况、能分布等信息。CFD 技术是基于一系列数学模型进行求解计算的，其来在空间域和时间域上连续的物理量的场，如流量场、速度场、温度个离散点上的变量值的集合来替代，通过一定的原则和方式建立起关变量之间关系的代数方程组，然后求解这些代数方程组获得场变量的D 软件主要依靠流体力学、计算数学、物理学中的动量守恒定律、质守恒定律等基本定理来综合建立发动机中进气湍流、燃气混合等过程利用 AVL FIRE 软件对 6K 双燃料发动机进行工作过程模拟。使用 F发动机进行工作过程模拟分析的具体步骤如图 2.1 所示。本章将按该台的搭建进行详细介绍。

模型图,进气歧管,气门座,模型

图 2.2 6k 双燃料发动机的活塞模型不规则的零部件，如进气道（包括进气总管和进气确性，利用相关设备和软件对 6K 双燃料发动机的到这些复杂结构表面密集点的云集合，再利用 CA实现复杂结构模型的搭建。最终搭建好的进气歧管图 2.3 和图 2.4 所示。图 2.3 进气总管模型

示意图,双燃料发动机,进气冲程,仿真模型

(b)简化后双燃料发动机模型的俯视图图 2.5 简化后双燃料发动机模型的主视图和俯视图得到简化后的 6K 双燃料发动机模型后要根据发动机气阀升程数据，分别建立该双燃料发动机进气、压缩、做功冲程的各仿真模型，这样做的好处是：在模拟双燃料发动机进气冲程、压缩冲程和做功冲程时，当采用相互独立的发动机模型时，能消除由模型精度、模型接触面间的缝隙造成的发动机气缸漏气的影响，同时还能节省计算时间。最终各冲程的双燃料发动机仿真模型如图 2.6 和图 2.7 所示。

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