天然气/柴油双燃料发动机燃料喷射及着火特性

基于计算流体动力学(CFD)软件CONVERGE模拟了缸内高压直喷式柴油微引燃液化天然气(LNG)发动机的燃料喷射混合以及着火过程,校核和验证了湍流模型对模拟结果的影响,分析了天然气喷射正时、天然气喷射持续期及柴油与天然气射流中心轴线的夹角对缸内柴油和天然气射流发展、混合和着火的影响.结果表明:Smagorinsky大...     

柴油机不同类型喷嘴内部空化流动特性的研究

柴油喷嘴内部空化效应是燃油液体射流雾化的重要原因之一。针对目前发动机上广泛采用的SAC型和VCO型两种柴油机多孔喷嘴,运用基于欧拉多流体法的多相流模型,通过全自动网格生成技术,对二者进行了多维数值模拟。将空化模型应用于数值模拟中,全面分析了喷射压力、喷孔背压、喷孔入口圆角半径和喷孔倾斜角等参数对喷孔内部空化流动及出口流量的影响。结果表明,增大喷射压力容易促使空化的发生,压力较大时,SAC型喷嘴出口流量变化不如VCO型的大;出口压力对空化起到抑制作用,减小出口压力有利于空化的形成,有助于喷孔出口燃油的雾化;喷孔入口圆角半径和倾斜角的增大,使得孔内流动变得更加顺畅,燃油蒸气体积变小,出口流量增加。所以孔内空化效应对缸内喷雾过程尤其是燃油液体射流的初始破碎的影响不容忽视。     

基于气液两相流大涡模拟研究柴油喷射的雾化过程

采用气液两相流大涡模拟对燃油雾化过程进行数值模拟.通过建立不同的计算边界研究了喷油器结构对喷孔内流及近喷孔区域燃油雾化特性的影响.在对比分析射流结构和喷孔内外流计算结果的基础上,讨论了射流初始扰动的产生机理及燃油雾化机理.根据计算结果发现:喷油器结构对喷孔内流有重要影响,实际喷油器的复杂结构会使燃油在离开喷孔前发展为湍流,湍流是导致初始扰动具有复杂频率和振幅组成的原因.边界突变是产生喷孔出口区域轴对称初始扰动的原因,该类型初始扰动具有单一的频率和振幅.     

射流角度对双燃料发动机燃烧过程的影响

基于三维流体力学软件,模拟研究了天然气射流中心轴线与水平方向夹角α、柴油/天然气两射流的中心轴线在水平方向上相对交角β对柴油/天然气双直喷发动机缸内射流发展、混合及燃烧过程的影响,结果表明：水平夹角α较小(30°和40°)时,受燃烧室空间限制难以形成稳定的涡旋结构;α较大(50°和60°)时,有利于形成尺度较大且稳定的涡旋结构,与后续柴油射流作用后,形成较多柴油-天然气-空气混合气,引燃面积增大,燃烧速率加快且温度分布更加均匀,剩余未燃CH₄较少;相对交角β较小(0°和10°)时,缸内混合气形成不均匀分布,燃烧室中心混合气较稀,唇口处较浓;β较大(30°和40°)时,柴油射流和原有涡旋相互作用,形成更多且分布更加广泛的柴油-天然气-空气混合气,缸内燃烧情况最好,剩余未燃CH₄较少．     

生物柴油喷雾特性的数值模拟

根据可视化试验的结果,利用计算流体力学的方法对生物柴油和柴油的喷雾进行模拟,建立了三维仿真模型,并验证了模型的正确性.利用该模型研究了生物柴油和柴油的喷雾特性,计算了不同喷孔直径对喷雾贯穿距离、索特平均直径等的影响.研究结果表明:生物柴油的雾化特性与柴油不同,柴油的雾化特性更好;减小喷孔直径缩短了生物柴油的喷雾贯穿距离,而且有助于液滴的破碎和雾化.     

双燃料直喷发动机喷孔几何位置对燃烧排放的影响

基于柴油引燃天然气缸内直喷发动机,采用AVL-Fire软件研究了天然气和柴油喷孔相对交角、相对距离和相对夹角这3个重要几何参数对燃烧排放的影响.结果表明:两喷孔相对交角影响NOx和碳烟(soot)排放,NO最小生成量比最大生成量少36%,,通过改变相对交角可以同时降低NO和soot排放,但对缸内平均压力的影响较小;两喷孔相对距离会影响污染物生成,并且相对距离越小,温度场分布越均匀,发动机缸内平均压力越高;两喷孔相对夹角减小时,发动机缸内平均压力升高,NO_x排放增加.研究结果对双燃料直喷发动机的两喷孔相对位置的优化有一定的指导作用.     

网格分辨率与射流分裂雾化模型对柴油喷雾影响的仿真研究

基于数值模拟方法,研究了网格分辨率、时间步长和不同的射流分裂雾化模型对柴油喷雾的影响。研究表明：网格的尺寸对柴油喷雾贯穿距离和SMD的影响较为显著;当径向网格为喷孔直径的3倍时,其贯穿距离的变化趋势与实验数值基本接近,能较好地预测试验结果,径向网格越密,油束的贯穿距离越大,SMD也越大;随着轴向网格尺寸的变大,贯穿距离增大,SMD减小;随着时间步长的变化,贯穿距离不呈规律性的变化趋势,仿真计算的贯穿距离不断逼近于实验值;对于不同的射流分裂雾化模型,KH—RT模型考虑了液滴的二次雾化,因此其雾化液滴最小,贯穿距离也相对较小,SMD的数值也较小。     

柴油机喷油嘴结构对内部空穴流动的影响分析

利用混合多相流空穴模型对垂直多孔喷油嘴完全发展了的空穴流动进行三维数值模拟,分析了不同的喷油嘴压力室结构、喷油嘴喷孔入口圆角半径和喷孔倾斜角等对喷油嘴内部空穴流动的影响,为喷油嘴结构优化设计提供了指导:改进型(IMPROVED)喷油嘴综合特性优于标准型(STD)和无压力室型(VCO)喷油嘴;喷孔入口锐边过渡使喷孔空穴层基本均可延伸至喷孔出口,形成"超空穴"现象,加速液流紊乱,可提高雾化质量.     

喷油器带毛刺喷孔的喷雾特性试验

基于X射线CT成像技术获取了柴油喷油嘴喷孔几何结构,采用喷雾可视化技术研究了带毛刺喷孔喷雾特性.结果表明:与无毛刺喷孔相比,启喷阶段,带毛刺喷孔出口处近场喷雾湍流脉动有所增强;稳定阶段,带毛刺喷孔改变了喷雾对称结构,首先喷孔内毛刺能够从喷雾射流表面剥离出部分燃油,该部分燃油经过初次破碎后形成较为分散的液丝,其次带毛刺喷孔远场喷雾二次雾化后液滴扩散范围增大;带毛刺喷孔喷雾发展过程中出现分叉现象.     

低液气密度比横向射流一次雾化模拟研究

在混合欧拉-拉格朗日框架下,对液气密度比为312、空气入口马赫数为0.2和0.35以及液体射流和空气主流的动量通量比为180的直射式喷嘴的横向射流一次雾化进行了数值模拟研究.针对低液气密度比下一次雾化同时受液体湍流和空气动力学影响,提出将一次雾化模化为先经历湍流驱动雾化再迅速经历空气动力学修正的方法,发展了一次雾化模型...     

供油提前角对天然气/柴油双燃料发动机排放的影响

天然气／柴油双燃料发动机的排放指标受多种因素的制约,其中作为引燃燃料－柴油的供油提前角变化对发动机排放特性影响较大。试验结果表明,在可调节的供油提前角范围内,双燃料发动机排放中的ＴＨＣ相差３倍以上,ＣＯ相差近１．５倍左右,ＮＯｘ相差１．５倍左右。而且,在保证原机标定功率和动力性的基础上,双燃料发动机的供油提前角需要适当调整,并存在最佳供油提前角,保证良好的排放性能。     

柴油/天然气双燃料发动机柴油燃烧策略的研究

基于自主研发的第三代并行式柴油/天然气双燃料发动机电控系统,利用FIRE软件建立柴油/天然气双燃料发动机柴油喷射系统的多次喷射模型。同时,通过进气压力控制过量空气系数,实现柴油/天然气双燃料发动机稀薄燃烧方式。针对高负荷工况,研究了多次喷射策略和稀薄燃烧方式对双燃料发动机最大压力升高率及NOx排放的影响。结果表明:发动机工作在高负荷及柴油替代率为80%时,采用双燃料稀薄燃烧方式能使NOx排放降低,但最大压力升高率仍可能超过安全临界值1MPa/(°)。采用合适的预喷射量与预喷射时刻能降低最大压力升高率。通过多次喷射和稀薄燃烧方式相结合的燃烧策略对缸内燃烧方式进行组织,可以实现双燃料发动机高替代率燃烧,并使高负荷时NOx排放达到或者低于国Ⅴ标准限值。     

柴油/天然气电控双燃料技术研究

针对双燃料发动机的特点介绍了电控双燃料系统的原理;并对所研究的双燃料发动机的失效模式及效应进行了分析。性能试验表明:在不对原柴油机喷油角度、压缩比等参数进行任何改动,只增加燃气供应系统和电控双燃料系统的情况下,在75%负荷下天然气的替代率达到83%,经济性好;同时,排放较纯柴油有较大的改善;发动机的排温、最高燃烧压力及调速性能与柴油机的相近。     

柴油/天然气双燃料发动机数值优化

利用CONVERGE搭建了柴油/天然气双燃料发动机三维数值模拟平台,在大负荷工况下研究了压缩比和不同喷油策略对发动机燃烧性能的影响．研究结果表明,相同条件下,降低压缩比到14.8能够有效降低最大压升率,从而有助于进一步增大天然气的替代比例．采用单次喷射策略时,通过提高喷射压力并提前柴油直喷时刻,在最大压升率限值内,能在85%天然气替代比例的同时获得48.1%的热效率．采用两次喷射策略时,随着预喷油量的增加,缸内着火时刻提前．并且预喷时刻提前能够有效降低最大压升率．对比发现,与单次喷射策略相比,两次喷射策略能够实现更为灵活的缸内燃烧控制,获得90%的天然气替代比例．最终,两次喷油策略实现了48.4%的最高热效率．     

天然气/柴油双燃料燃烧特性及规律的研究

通过试验及其分析,探索天然气和柴油复合燃烧特性和规律,并具体阐述负荷、转速、替代率、引燃油量、进气混合气浓度、供油提前角和燃烧室形式等因素对双燃料燃烧压力变化规律、放热规律、着火特性、最高替代率变化规律等的影响.特别指出了天然气/柴油双燃料燃烧的主要特征、存在的主要问题和需要采取的技术措施.     

天然气直喷燃烧的可视化研究

利用高速摄影装置开展了天然气直喷燃烧的可视化研究。研究结果表明:缸内形成的分层充量分布与喷射方式有关,双点平行喷射和单点喷射将比双点对向喷射形成的充量分层强。双点平行喷射和单点喷射时火焰将向燃料喷流的下流区发展,而双点对向喷射时火焰显示出由燃烧室中心向外围方向发展的特征。天然气直喷燃烧呈现出湍流燃烧特征的皱褶火焰前锋面。通过优化喷射正时形成的可燃分层充量可实现直喷天然气超稀燃烧。     

车用发动机柴油天然气双燃料改装研究综述

对在用柴油发动机进行柴油—天然气双燃料改装不仅可以降低燃料费用成本,而且可以显著减少汽车尾气污染物的排放。基于不同的天然供给方式和柴油引燃量的控制方法,分析国内外柴油—天然气双燃料改装的不同技术特点和存在的问题,并对柴油—天然气双燃料改装市场初期的技术选用提出基本准则。     

柴油引燃天然气着火过程分析

采和最新化学反应动力学机量，对具有少量柴油引燃的天然气、空气混合物着火过程进行了理论分析。其中：甲烷氧化机理包含79个基元反应，涉及32种组分；柴油反应机理包含327个基地反应，涉及71种组分。对IPIC－CFDⅡ软件进行修改，使之适合双燃料系统的燃烧计算，程序采用了美国SANDIA国家实验室，NASA和BERKELEY大学热力学数据库中的相关参数以及大型化学反应动力学软件包CHEMKINⅢ中相关的模型和子程序。运用开发的源码，计算了柴油、天然气和空气混合物在不同点火温度、不同当量比和不同压力下的着火延迟时间，同时预测了火焰中反应物、主产物、自由基浓度以及温度变化的时间进程。     

Fundamentals for Optimizing the Use of Natural Gas in Diesel Engines

For fueling diesel engines with gaseous fuels, combined gas/diesel in-cylinder injection systems have many advantages over traditional systems with carburetted manifolds. However, understanding mixing phenomena within an engine is difficult. Here, it has been studied in a rig under atmospheric conditions. Shadowgraph and schlieren techniques were employed to identify mixing regions between diesel and natural gas injected simultaneously into a chamber. The results were used to calibrate a CFD model for simulating injection into an engine's cylinder. The optimum orientation of the jets relative to each other was determined and then the best staging of the jets was estimated.     

柴油引燃预混天然气准均质压燃着火过程的研究

利用高速摄像技术对柴油引燃预混天然气发动机的着火过程进行了研究，主要分析了混合气浓度，喷油提前角以及环境温度等参数对双燃料发动机着火滞燃期，着火点位置分布和着火点数量的影响，指出柴油引燃预混天然气双燃发动机着火过程是一种准均质压燃着火过程。