不同简化机理对高压直喷天然气船机燃烧和排放影响研究

基于三维CFD仿真软件模拟了高压直喷天然气船机的燃烧过程,探讨了四种不同简化程度机理对燃烧和排放的影响规律。结果表明：四种机理均能很好的预测高压直喷天然气船机在不同喷射时刻下的缸压和放热率。四个机理预测的燃烧相位和最高爆发压力随喷射时刻提前或推迟变化趋势一致;预测的不同燃烧相位的温度、当量比和NO_x分布存在较小差异。但35步机理和27步机理预测的碳烟排放比334步机理和250步机理高。整体上,受船机大尺度计算资源高限制,耦合简化的35步和27步机理的CFD模型预测的燃烧参数最大误差小于4.3%,预测的NO_x排放最大误差小于12.0%,能够满足船机工程开发需求。     

天然气后喷对高压直喷天然气船机燃烧和排放的影响研究

利用流体动力学软件CONVERGE建立了高压直喷天然气船机的三维仿真模型,基于该模型研究了后喷策略对高压直喷天然气船机燃烧和排放的影响.结果 表明:随后喷比例增大,最高燃烧压力略升高,燃烧持续期增长;随着喷射间隔的增大,最高燃烧压力不变,但后喷燃烧相位推迟,燃烧持续期增长.与无后喷算例相比,后喷比例增大到10％和20％...     

压缩比对直喷天然气发动机燃烧与排放特性的影响

在缸内直喷火花点火天然气发动机上开展了压缩比为8、10、12和14的燃烧和排放特性研究。研究结果表明,压缩比对发动机性能、燃烧和排放有较大影响。压缩比增加,发动机充量系数增加,燃烧速率加快,热效率提高。缸内最高燃烧压力、最高燃气平均温度和最大压力升高率等燃烧参数随压缩比的增加而增加;HC和CO排放随压缩比的增加而降低,NOx随压缩比的增加而增加。压缩比过高会导致HC排放的增加,当压缩比大于12时,发动机在中高负荷出现轻微爆燃现象,NOx排放明显增加。综合考虑直喷式天然气发动机的动力性、经济性和排放性能,认为发动机的最佳压缩比设置在12比较合理。     

直喷天然气发动机燃烧效率分析

利用快速压缩装置对直喷天然气发动机的效率进行了分析。在宽广的当量比范围内,分析了三种燃料喷射方式下和均匀混合气燃烧时的燃烧效率。结果表明,燃油喷射方式下的燃烧效率在0．2－0．9当量比范围内均具有较高的数值并与喷射方式无关;在当量比小于0．2和大于0．9时,由于CO的原因,使燃烧效率降低。均匀混合气燃烧时,燃烧效率在当量比大于0．7时较高,而当量比小于0．7时,由于很高的未燃甲烷的生成使燃烧效率损失较大。燃料喷射燃烧与均匀混合气燃烧相比,维持高燃烧的比范围宽。因未燃甲烷的生成造成的燃烧效率的损失与喷油时刻无关,因CO造成的燃烧效率的损失随喷油滞后而增加。     

氢气直喷对发动机燃烧及排放性能的影响

基于一台高压直喷汽油机,将汽油直喷喷射器替换为氢气直喷喷射器,试验研究了发动机燃用氢气与汽油时的燃烧和排放特性差异。采用空气稀释,进一步分析了氢气发动机稀薄燃烧模式下热效率提升潜力及氮氧化物排放特性,明确了氢气燃料对发动机燃烧及污染物排放的影响规律。结果表明,当量燃烧模式下,相比汽油发动机,氢气发动机的燃烧持续期明显缩短,有效热效率降低,NO_x排放升高,CO及总碳氢（total hydrocarbon, THC）排放显著降低。提高氢气发动机的过量空气系数有助于改善有效热效率。在中等负荷工况下,过量空气系数为2.7时有效热效率可达43.5%。增大过量空气系数,氢气发动机能够在保持较高燃烧稳定性的情况下显著降低NO_x排放。在低负荷工况下,当过量空气系数大于2.3时NO_x排放最低可降低至44×10^-6。     

柴油引燃天然气发动机不同喷射时刻和引燃油量下的燃烧和颗粒排放特性研究

在一台改装的柴油引燃天然气发动机上对不同的柴油喷射时刻和引燃油量(喷射油量)下的燃烧和颗粒排放进行了试验研究,并对相关的燃烧和颗粒排放特性进行分析。研究结果表明:随着喷射时刻和引燃油量的变化,柴油引燃天然气发动机的颗粒排放呈现单峰分布,其粒径分布无太大的变化,峰值粒径出现在29nm附近。随着喷射时刻的提前,纳米级颗粒数量浓度显著增加,颗粒的质量浓度呈现先减小后增加的趋势,滞燃期逐渐推迟,总燃烧持续期先减小后缓慢增加,相应的放热率曲线型心在逐渐靠近上止点后逐渐远离;随着引燃油量的增加,柴油引燃天然气发动机滞燃期和总燃烧持续期持续减小,放热率曲线型心逐渐靠近上止点,发动机排放颗粒的数量浓度明显减小,但其颗粒的质量浓度逐渐增加。     

不同点火时刻下天然气掺氢缸内直喷发动机燃烧与排放特性

在缸内直喷火花点火发动机上开展了天然气掺混0％-18％氢气的混合燃料不同点火时刻下的试验研究。结果表明：对于给定的喷射时刻和喷射持续期,点火时刻对发动机性能、燃烧和排放有较大影响,喷射结束时刻与点火时刻的间隔对直喷天然气发动机极为重要,喷射结束时刻与点火时刻的间隔缩短时,混合气分层程度高,燃烧速率快,热效率高。最大放热率等燃烧特征参数随点火时刻的提前而增加。HC排放随点火时刻的提前而下降,CO2和NOx排放随点火时刻的提前而增加,NOx排放的增加在大点火提前角下更明显。掺氢可降低HC排放,对CO和CO2排放影响不大。掺氢量大于10％时可提高天然气发动机热效率。     

不同喷射时刻下缸内直喷天然气发动机的燃烧特性

开展了天然气高压缸内直喷发动机不同喷射时刻时的燃烧特性研究。研究结果表明：燃料喷射时刻对发动机性能及排放有较大影响,喷射太迟会导致天然气和空气混合时间短,混合效果差,燃烧持续期长,放热速率慢。喷射过早会导致充量系数下降,燃料容易进入燃烧室狭缝间隙处,造成较高的HC排放。对于给定转速,发动机存在一个最佳燃料喷射提前角,此时缸内最高压力值最大,最大压力升高率和最大放热率最大,放热速率快,燃烧过程等容度好,火焰发展期、快速燃烧期和燃烧持续期短,发动机热效率高,HC、CO排放也维持较低水平。     

天然气直喷发动机当量比与稀薄燃烧对比研究

针对一台自然吸气四缸天然气缸内直喷发动机,建立了发动机仿真模型,通过台架试验数据对模型进行了验证。开展了均质当量比燃烧和稀薄燃烧两种方案的整机动力性、热负荷和经济性对比研究。结果表明：稀薄燃烧时动力性下降明显,当量比燃烧时热负荷较高,空燃比稍大于当量比时经济性最好。     

直喷柴油机喷油速率对燃烧及排放的影响

喷油速率是降低排放的一个重要因素。高压喷射结合小喷孔直径可以减少NO_x与碳烟的排放。本文研究了预喷射及两种较小初始喷油速率的喷油模型对燃烧及排放的影响,发现初始喷油速率比小喷孔油嘴对NO_x排放的影响更大,而后期喷油速率的增加是影响烟度的一个主要原因。     

天然气发动机混合气形成与燃烧特点及性能评述

本文根据天然气发动机混合气的形成特点,把天然气发动机分为预混合燃烧型和非均质扩散燃烧型,并分析了这两种天然气发动机的技术特点、燃烧特点与排放等性能。本文重点介绍了实现非均质扩散燃烧的不同型式高压缸内直喷天然气发动机技术及其性能特点,最后提出非均质扩散燃烧天然气发动机技术需要研究的相关问题。     

基于喷孔布置及喷射参数协调控制的双直喷发动机燃烧及碳烟排放特性研究

通过建立三维计算流体力学(computational fluid dynamic,CFD)柴油/天然气双直喷模型耦合多组分混合物简化化学动力学机理及现象学碳烟模型,模拟研究了天然气射流中心轴线与水平方向夹角α、天然气喷射持续期(natural gas injection duration,NID)的协调作用对柴油微引高压直喷天然气发动机燃烧过程及碳烟生成、氧化过程的影响。结果表明:缩短NID可提高扩散火焰的传播速度,增加燃烧区域的化学反应速率,且最高燃烧压力、峰值放热率、最大压力升高率(maximum pressure rise rate,MPRR)、指示热效率(indicated thermal efficiency,ITE)升高;随NID缩短,A_(4)、C_(2)H_(2)消耗反应速率增加,OH生成峰值增加,碳烟生成降低而氧化增强。增大α促进了大尺度涡旋结构的生成,降低了进入挤气区域的燃料比例,同时利于ITE的改善;较短的NID下,增大α后最高燃烧压力、峰值放热率提升明显;α增大至20°可显著降低A_(4)、C_(2)H_(2)生成峰值,抑制碳烟成核及表面生长反应,降低碳烟生成。综合考虑最高燃烧压力、ITE、MPRR及碳烟排放,确定两个优化方案分别为:α=15°&NID=16.5°及α=20°&NID=21.5°。     

Research on the application technique of the natural gas engine with direct injection

Based on the analysis of the advantages of the Natural Gas Engine with Direct Injection （NGEDI） and the state of the art of the research in this area, the authors point out that, the NGEDI with high pressure is one potential selection and will have a good application prospects. Through investigation experiment and simulation results, the key techniques are put foreword for deployment of the NGEDI and some solutions are given.     

用快速压缩装置研究直喷式天然气发动机排放特性

使用快速压缩装置进行了直喷式天然气发动机排放特性的研究。测量了三种不同方式下的排放,并与均相混合气燃烧情况进行了对比。实验结果表明,在宽广的当量比范围内,天然气直喷方式的燃烧效率高于0.95。由于混合气的分层燃烧,天然气喷射方式在宽广的当量比范围内保持较低的HC排放量,同等功率下的低CO2排放量,低NOx排放量,其NOx排放在理论当量比处的降低更为明显。直喷天然气发动机既具备柴油机发动机效率高的特点,又具备预混燃烧发动机排放低的特点。     

船用直喷式天然气发动机喷射策略的优化

利用CONVERGE软件基于L23/30DF型船用天然气发动机建立了双天然气喷嘴、双引燃柴油喷嘴的直喷天然气发动机的缸内燃烧过程的CFD计算模型,计算了不同的柴油和天然气喷射时刻和间隔下发动机缸内燃烧和排放过程.结果 表明:引燃柴油的喷射时刻及其与天然气喷射时刻的间隔,对直喷式天然气发动机燃烧和排放性能有重要影响.当喷...     

火焰稳定器对直喷式燃烧室污染物生成影响的研究

研究了不同火焰稳定器对直接喷射式燃烧室燃烧和污染物排放的影响.实验中所用的火焰稳定器为30°、45°和60°旋流角的旋流器和三种开孔率不同的多孔板.采用Testo360燃气测试仪测量不同工况条件下相应的燃烧室出口温度,以及NOx和CO生成量.通过对采用不同火焰稳定器燃烧室所得到的燃烧与排放性能的分析比较,得到了多孔板的开孔率和旋流器的旋流角度对污染物排放的影响结果.     

F级重型燃气轮机新型DeNOx燃烧器掺氢燃烧试验研究

为实现降低碳排放的绿色环保目标,天然气掺氢燃烧成为燃气轮机的重要发展趋势。针对天然气掺氢燃烧特性,对自主研发的F级重型燃气轮机新型DeNO_x燃烧器展开全温、全压、全尺寸高掺氢比例的燃烧试验,从温度、排放、嗡鸣和加速度等性能参数分析燃烧器掺氢燃烧适应性。结果表明：该燃烧器在30%～40%掺氢比例,55%～100%基本负荷段的NO_x排放质量浓度均可控制在30 mg/m³以内;随着掺氢比例的增加,火焰转换发生在更低的负荷,有利于稳定升负荷,同时燃烧器出口温度升高,但未发生回火。     

船用低速双燃料发动机预燃室引燃火焰的模拟研究

以RT-flex50DF船用低速二冲程双燃料发动机为研究对象,通过对模型的仿真计算分析了引燃火焰的流速及火焰面积在燃烧过程中的影响,总结了该低压喷射双燃料发动机引燃火焰的特点及燃烧过程。通过对比预燃室通道直径的方案发现,增大通道直径可以增加缸内的着火面积,加速燃料燃烧;减小通道直径可以达到增强缸内涡流的效果,提高火焰传播速度,但通道直径过大或过小都会对缸内燃烧产生不利影响。预燃室出口结构的方案通过保持出口截面积不变而增大火焰射流的表面积来加快缸内燃烧,避免孔径对缸内的湍流等参数产生影响,结果表明在该方案中合适的小孔尺寸可以提高缸内放热率的峰值,并缩短燃烧持续时间。     

预燃室式天然气掺氢发动机燃烧及排放模拟

为探索掺氢对预燃室式大功率中速天然气发动机燃烧和排放的影响,采用计算流体动力学耦合化学动力学方法,在一台6ACD320型天然气发动机上,对氢气体积分数为0～ 30％的天然气-氢气混合燃料的燃烧过程进行了数值模拟.结果表明:在天然气中掺氢促使缸内产生了更多的0、OH等活性自由基,从而加速了缸内火焰传播,发动机的指示燃气消...     

稀燃对甲醇直喷点燃式发动机性能的影响

将一台增压直喷米勒循环汽油机改制成高压缩比(13.8)甲醇直喷点燃式发动机,在2 750 r/min、平均有效压力(brake mean effective pressure,BMEP)为1.1 MPa及1.5 MPa工况下研究了稀燃对甲醇直喷发动机燃烧、排放及热效率的影响。结果表明:随过量空气系数λ增大,甲醇直喷发动机滞燃期和燃烧持续期逐渐延长,高稀释率下燃烧滞燃期和持续期明显短于汽油原机。在1.1 MPa BMEP工况下,发动机的稳定燃烧极限从汽油原机的λ=1.5拓宽到甲醇直喷的1.7以上。气体排放方面,随λ增大,甲醇直喷发动机HC排放逐渐增加,而CO排放先降低后升高,在λ=1.1附近CO排放最低。与汽油原机相比,甲醇直喷发动机在各过量空气系数下均表现出更低的NOx、HC及CO排放。热效率方面,发动机在BMEP为1.1 MPa下,汽油原机和甲醇直喷的最大有效热效率分别为39.8%和44.1%,热效率绝对值分别较当量比燃烧提升2.5%和3.2%。BMEP提高到1.5 MPa后,甲醇直喷发动机在λ=1.4实现了44.5%的最大有效热效率。