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天然气/柴油双燃料发动机燃料喷射及着火特性

2021-02-28 21:27:53·  来源：内燃机学报  作者：Satisfactory  
　
天然气作为发动机替代燃料以其高效燃烧、清洁环保及价格低廉等优点日益受到重视。缸内高压直喷式(HPDI)柴油微引燃液化天然气(LNG)发动机既能保持原有动力性又能大幅降低污染物排放，因而具有广阔应用前景。HPDI柴油微引燃LNG发动机的工作过程包括微量柴油和天
天然气作为发动机替代燃料以其高效燃烧、清洁环保及价格低廉等优点日益受到重视。缸内高压直喷式(HPDI)柴油微引燃液化天然气(LNG)发动机既能保持原有动力性又能大幅降低污染物排放，因而具有广阔应用前景。HPDI柴油微引燃LNG发动机的工作过程包括微量柴油和天然气的喷射和着火及双燃料混合燃烧等过程，其中燃料的喷射及着火过程对发动机的燃烧和排放特性有较大影响，因此，需要对发动机的燃料喷射特性和着火特性进一步研究。本次推文基于CFD 软件对缸内高压直喷式柴油微引燃LNG发动机进行模拟计算，探究天然气喷射时刻、天然气喷射持续期、柴油喷射时刻和柴油与天然气喷孔周向夹角对发动机喷雾特性和着火特性的影响。

01、模型建立及后处理方法
使用CFD软件ConVERGE 2.3进行发动机模拟，为避免额外的计算负担，基于该发动机单缸体积的1/7构建了循环边界的轴对称模型。计算的起点和终点分别为压缩行程上止点前90°CA和压缩行程上止点后140°CA，由此避免了进气阀和排气阀运动带来的计算负担。图1为所用发动机模型的三维几何结构及燃料喷孔位置。为简化研究，选取甲烷和正庚烷作为天然气和柴油替代物模型来研究缸内高压直喷式天然气发动机缸内燃烧过程。
图1 发动机CFD模型
 
图2为本模型预测值与文献试验气体射流量纲为1贯穿距数据的对比。模拟得到的结果在横坐标为18至26之间时略高于试验值，但总体与文献的数据吻合较好，故所构建的气体射流模型可以较为准确模拟天然气自由射流。图3为不同湍流模型下发动机仿真模型计算结果与康明斯单缸试验机试验缸压、放热率对比，发动机模拟与试验的工况为欧洲稳态测试循环B75工况，该工况在测试循环中的权重最大。采用大涡模拟(LES)湍流模型可以较好地预测缸内的燃烧过程，能够满足计算精度的要求。
图2 天然气射流模拟与试验贯穿距
图3 不同湍流模型下模拟值与试验值的对比
 
图4为用于切片分析的所选截面。对截面内的当量比和速度场对比分析缸内双燃料射束的发展和混合情况。在燃料燃烧过程中，CO+OH⇒CO2+H反应在火焰面附近具有较高的反应速率，采用中间产物CO和自由基OH的乘积能较好地反映火焰发生的位置。故采用燃烧中间产物CO和自由基OH的浓度乘积大小作为火焰诊断的依据。
图4 用于切片分析的截面

02、柴油与天然气射流中线轴线夹角

保持两种燃料喷孔与气缸中心轴的夹角不变，通过改变柴油和天然气射流中心轴线夹角来探究该因素对发动机燃料喷射及着火特性的影响。图5定义夹角α 为柴油和天然气射流中心轴线的夹角，并分别对α为0°、5°、10°和15°进行了仿真计算。
 
图6为不同夹角下缸压和放热率的结果对比。数值模拟的结果揭示了随着夹角α的增大，最高爆压降低，放热率峰值上升，出现最高爆压和放热率峰值的时刻延后。
图5 夹角α的定义
图6 不同夹角α下缸压和放热率结果
 
图7为在不同夹角α下截面A处的当量比和速度场分布随曲轴转角变化的情况。随着夹角α的增大，射流在撞壁后形成的漩涡结构更弱，射流两侧的卷吸效果更强。这是由于自由射流喷入时的夹角较大时，自由射流的前端接触的已喷柴油较少，使得动量损失降低，撞击壁面后沿着弧形的壁面凹槽扩散，而当夹角较小时，自由射流前端将接触并裹挟更多的已喷柴油撞击壁面，在空气的阻力下卷吸形成明显的旋涡结构。从喷射后期来看，夹角α的增大也有助于自由射流在缸内纵向空间中的扩散，这也是得益于自由射流动量损失的降低。
图7 不同夹角α下截面A当量比和速度场分布
图8为不同夹角α下截面B的当量比变化，喷入缸内的引燃柴油和天然气自由射流均受到缸内涡流的影响产生逆时针的偏转，且天然气自由射流的喷射压力大，故而受到的偏转影响较已喷柴油较小。在双燃料射流中心轴线夹角和缸内涡流偏转的共同影响下，当夹角增大到15°且还远未达到模拟的1/7气缸的圆心角的一半时，就穿过循环边界并与自由射流接触。
图8 不同夹角α下截面B当量比分布
 
图9为不同夹角α下缸内的火焰面分布随天然气喷射后曲轴转角(ASOI)的变化。红色轮廓线为天然气自由射流火焰面，蓝色轮廓线为已喷柴油火焰面。α ＝15°时，起喷后9°CA已喷柴油几乎全部穿过循环边界，且火焰面从已喷柴油喷束上延伸到天然气射流上。当夹角小于15°时，已喷柴油部分穿过循环边界，火焰面从天然气射流两侧的已喷柴油上延伸到天然气射流上。结合缸压和放热率曲线，说明沿着缸内旋流方向增大的喷射夹角使天然气喷束的着火点倾向于出现在射束周围的燃氧混合物中，使得燃烧滞后，缸内燃烧的等容度降低。
图9 不同夹角α下缸内的火焰面分布

03、天然气喷射时刻的影响
保持柴油喷孔和天然气喷孔的角度不变，保持柴油的喷射参数不变，天然气的喷射量和喷射持续期保持不变，对天然气喷射时刻(SOI)分别为—9.5°、—8.0°、—6.5°和—5.0°CA ATDC进行了仿真计算。
图10为不同天然气喷射时刻下的缸压和放热率结果的对比。数值模拟的结果揭示了随着天然气喷射时刻的延时，缸内最高爆压下降，放热率峰值下降。且随着天然气喷射时刻的延时，最高爆压和放热率峰值的时刻也延时出现。
图10 不同天然气喷射时刻下缸压和放热率

04、天然气喷射持续期的影响
天然气的喷射持续期影响着燃料喷射混合在时间上的跨度，从而影响混合气的形成质量与燃烧。保持天然气循环喷射量不变，对天然气的喷射持续期分别为15.5°、18.5°、21.5°和24.5°CA进行了仿真计算。图11为不同天然气喷射持续期下的缸压和放热率结果的对比。数值模拟的结果揭示了随着天然气喷射持续期的缩短，最高爆压和放热率峰值上升。
图11 不同天然气持续期下缸压和放热率

结论

(1)随着柴油与天然气喷孔周向夹角的增大，天然气倾向于从其自由射流的两侧点燃，火核更多的在天然气射束两侧形成；由于射流顶端的卷吸效果强于两侧，前端的燃氧混合物混合程度更高，当着火点更多的出现在射束前端时会有更好的着火和燃烧效果。
(2) 随着喷射时刻的提前，天然气射流将在较早的时间接触和冲击到更多的已喷柴油，裹挟更多的已喷柴油撞击壁面，促进了已喷柴油的混合燃烧；在自由射流的前端大量形成火核，使天然气射流着火提前，燃烧等容度上升。
(3) 在循环喷射量不变的情况下，使天然气喷射持续期缩短，天然气喷孔出口压力增大，卷吸效果更强，在已喷柴油在缸内涡流作用下偏转前接触和冲击到更多的已喷柴油；促进了已喷柴油的混合和燃烧，使天然气着火提前。

文献来源

[1]李徐程,张尊华,毛立通,龙焱祥,朱晨婷,李格升.天然气/柴油双燃料发动机燃料喷射及着火特性[J].内燃机学报,2021,39(01):34-43.
《内燃机学报》是由中国内燃机学会主办的国家级高级学术刊物，是国务院学位委员会与研究生教育中文重要期刊，是中国科技论文统计用刊，被工程索引(EI)等多个国内外数据库收录，多年来一直位居我国“中文核心期刊要目” 能源与动力工程类前列。
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