喷油嘴设计参数对双燃料发动机燃烧过程影响的数值模拟研究

发布时间：2020-03-23 05:51

【摘要】：天然气具有储量丰富及燃烧排放污染少等特点,为改善我国能源结构和治理大气污染具有重要意义,柴油/天然气双燃料发动机为天然气利用的一种形式。柴油/天然气发动机在小负荷时存在碳氢排放高、热效率低等问题,通过改变喷油压力、喷油时刻、空燃比、天然气能量替代率等措施可有效降低碳氢排放,提高发动机热效率,其中改变喷油时刻及喷油压力影响着火前柴油在缸内分布及雾化蒸发效果,喷油器喷嘴设计参数也将直接影响缸内柴油分布及雾化蒸发,本文利用数值模拟平台研究高天然气替代率、小负荷低转速条件下,不同喷油时刻、压力及改变喷嘴设计参数对双燃料发动机性能影响的规律,改变喷嘴设计参数包括改变喷孔锥角、孔径及孔数。研究表明,在一定范围内提前喷油则缸压峰值提升,放热率形状由双峰变为单峰,燃烧末期未燃天然气减少,着火前柴油在缸内由团状分布变为环状分布且逐渐远离气缸轴线。大幅提前喷油条件下,适当提高喷油压力,柴油着火前在缸内由团状分布变为环状分布,且柴油贯穿距离增加,放热率峰值升高,燃烧速率加快,缸压峰值上升;喷油压力过高,则一部分柴油落至活塞顶部,燃烧始点及重心后移,最大缸压下降。不同喷油压力下改变喷孔锥角、孔径及孔数,有以下结论:(1)对比四组不同的两层喷孔锥角,40MPa喷油压力下,放热率均为单峰结构,原喷油器152°及160°喷孔锥角的缸压峰值较高,CA50靠前,燃烧持续期短。70MPa喷油压力下,随喷孔锥角的减小放热率由单峰变为双峰,仅120°喷孔锥角的缸压峰值较低,其他三组缸压峰值较高且相差较小,160°及152°喷孔锥角的CA50靠前,燃烧持续期短,天然气燃烧速率快。100MPa喷油压力下,放热率均为单峰结构,120°喷孔锥角的缸压峰值最高,CA50靠前且燃烧持续期短。40及70MPa喷油压力下应选用较大喷孔锥角如152°及160°,100MPa喷油压力下应选用较小喷孔锥角如120°。(2)三组喷油压力下:对比四组不同的下层喷孔锥角,放热率为单峰结构,缸压峰值、CA50及燃烧持续期相差极小;对比三组不同的喷孔孔径,放热率均为单峰结构,CA50相差较小,小喷孔孔径的缸压峰值较高,燃烧持续期较短。三组喷油压力下仅改变下层喷孔锥角对发动机燃烧无明显影响,选用小喷孔孔径如0.127mm的燃烧效果较好。(3)40及70MPa喷油压力下,对比三组不同喷孔孔数,8孔及10孔的放热率呈单峰结构,缸压峰值较高且CA50靠前,而16孔的放热率呈双峰结构。100MPa喷油压力下,三组不同孔数的放热率均为单峰结构,且缸压峰值相差较小,其中8孔的缸压峰值最高,CA50靠前,燃烧持续期最长。三组喷油压力下8孔及10孔的燃烧效果较好,除100MPa喷油压力外,增加较多喷孔孔数则天然气燃烧速率减慢。(4)着火前大部分引燃柴油均匀分布于燃烧室凹坑与活塞顶交界处附近时,缸压峰值较高,放热率呈单峰结构,燃烧持续期较短且燃烧重心靠前,天然气燃烧速率较快,燃烧效果较好。一方面缸内柴油呈环状均匀分布,油气接触面积大,柴油与天然气燃烧重合区域广阔,燃烧初期以柴油及天然气燃烧所组成着火点数量多,另一方面缸内凸起处气流运动较强,燃烧前期此处火焰因气流作用容易扩散至相邻未燃区域,缸内形成稳定着火源后燃料燃烧速率快,高温区迅速扩展。喷油参数及喷孔设计参数共同影响缸内引燃柴油分布位置及雾化蒸发,不同喷油参数确定不同喷孔设计参数最优方案,喷孔设计参数选择要与喷油策略相结合。
【图文】：

光化学烟雾,碳氢化,国石,依存度

需求增长与能源短缺、环境保护之间矛盾的重要措施。自 1973 年以来发生的数次石油危机，导致原油价格成倍上涨，直接影响工业化国家的经济增长。发生石油危机的最根本原因是世界石油资源的地区分布不平衡。从世界石油资源来看，2003 年底北美地区探明的石油储量占世界总探明储量的 17.2%，前苏联地区累计探明石油储量占世界总探明储量的 14.5%，中东地区探明的石油储量占全球总探明储量的 57.4%，南美及亚非等地区石油匮乏，世界石油地区消费量与石油资源存储量存在着严重的失衡现象，如西欧、北美及亚太三个地区的石油消费却占世界石油消费总量的近 80%，而石油探明储量不超过世界总量的 22%[3]。根据 2017年发布的《国内外油气行业发展报告》，2016 年我国石油消费量达到 5.56 亿吨，包括液化石油气、成品油、原油等产品在内的石油净进口量对外依存度达到67.3%，如图 1.2 所示，超过 2015 年的 60.6%，从 2000 年到 2016 年我国石油的对外依赖度逐年攀升，原油进口量连续 15 年上升，在 2016 年达到 3.810 亿吨，增幅在 13.7%左右，进口总额达到 1153.083 亿美元。预计 2020 年我国石油消费总量将会在 6 亿吨左右，2030 年前后 80%的石油消耗量将依赖进口[4,5]，不利于我国能源安全。

排放法规,完全燃烧,排放标准,废弃物

第 1 章绪论不仅影响市民的生活出行，还严重影响人们的身体健康。雾霾成因主要是废弃物的排放，工业生产废弃物的排放使粉尘及二氧化硫等颗粒物大大增加，而煤炭燃烧及汽车尾气的排放颗粒物是其主要来源。汽车发动机用汽油及柴油在完全燃烧时不考虑微量杂质将只产生水蒸气和二氧化碳，实际燃料在发动机内不可能完全燃烧，排放污染物主要有一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、微粒 PM 等[6]，为限制因内燃机车所造成的大气污染，20 世纪 60 年代起世界各国相继建立了汽车排放标准，主要有欧系、美系及日系三大排放标准，且排放法规一代比一代严格，表 1.1 为欧五及欧六排放标准（M 类），，我国汽车排放法规的建立相对较晚，80年代起开始着手内燃机的排放控制工作，先后颁布的汽柴油车的排放法规，20世纪末开始逐步参考欧洲排放法规建立我国的排放法规，近些年北京及上海等地已开始实施的国六标准，将在 2020 年全国范围内实施。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK401

【参考文献】