天然气替代率影响X6170柴油/天然气双燃料发动机燃烧过程的仿真研究

【摘要】：船舶工业的可持续发展面临着能源与环境的双重挑战，利用天然气替代部分柴油是解决这一问题的有效途径之一。当前，在原柴油机基础上加装天然气喷射或混合装置改装成预混天然气/柴油双燃料发动机的方法，已成为行业内推崇的技术路线。但当前国内改装的船用预混天然气/柴油双燃料发动机普遍存在天然气替代率偏低的问题。 为了进一步提高天然气替代率，需要对双燃料发动机的燃烧特性进行深入研究。本文选定对双燃料发动机燃烧过程有重要影响的不同的喷油时刻和EGR率参数条件，研究不同天然气替代率对双燃料发动机燃烧过程的影响。其中工况选择为600r/min，过量空气系数为1.5的大负荷工况，保证喷油速率不变，喷油时刻分别选取5°BTDC、2°ATDC和5°ATDC，EGR率选取30%和0%。在各种工况参数条件下研究天然气替代率分别为90%、70%、50%和纯柴油时双燃料发动机燃烧过程产生的差异。 首先，应用PRO/E软件建立燃烧室的几何模型，并采用AVL FIRE软件中的FEP网格划分工具对燃烧室网格进行划分。燃烧模型则选用CFD耦合正庚烷与甲烷反应组成的简化化学反应机理。根据实验数据对初始条件和边界条件进行设置，并对仿真模型进行验证。 然后，对不同工况参数下的双燃料发动机的燃烧过程进行了仿真。通过压力升高率、燃烧持续期、缸内温度等主要燃烧指标对比分析后发现： （一）天然气替代率为90%时喷油量很小，喷油持续期较短。短期喷入缸内的柴油在滞燃期内很快与周围气体混合均匀，此时缸内温度浓度适宜，使得油束内燃料基本同时着火，随后的燃烧放热率极大。燃烧产生的高温火焰迅速点燃周围较浓的天然气空气混合气，火焰传播速度非常快，全部燃料在2～4°曲轴转角内燃烧完毕，呈现等容燃烧特征。天然气替代率为90%的所有工况参数组合下缸内平均压力升高率在2～3MPa/degCA范围，是纯柴油条件下的4～6倍。 （二）当天然气替代率的降低到70%和50%时，相应的柴油喷射量变大，燃油喷射持续期变长，着火位置出现在油束外围混合气浓度适当的地方，温度、压力升高率减缓。油束外围的天然气空气混合气浓度降低导致着火之后的火焰传播速度降低。70%快速燃烧期为4.5～8°，50%快速燃烧期为10～12°，也有利于降低压力升高率。其中70%的压力升高率降到1.285～1.6MPa/degCA之间，50%的压力升高率降到0.8MPa/degCA以下。 （三）本机型在天然气替代率分别为90%和70%、喷油时刻为5°BTDC条件下会出现2%左右末端天然气自燃。在天然气替代率为90%、喷油时刻5°ATDC、EGR30%条件下在着火位置出现在燃烧室凹坑边缘，在喷油器周围少部分混合气会发生自燃。但是这两种情况下的自燃比较微弱，没有导致大幅度的压力升高。 综上研究发现：解决船用双燃料发动机天然气替代率偏低的问题要从减少滞燃期后燃料的急速能量释放量和降低油束周围天然气被点燃后的火焰传播速度去着手。 【关键词】：船用双燃料发动机 替代率 燃烧过程 CFD
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U664.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 研究背景及意义11-14
• 1.1.1 天然气在船舶发动机上应用的可行性分析11-13
• 1.1.2 预混天然气/柴油双燃料发动机面临的问题13-14
• 1.2 国内外研究现状14-16
• 1.2.1 预混天然气/柴油发动机天然气应用现状14
• 1.2.2 预混天然气/柴油发动机燃烧过程研究现状14-16
• 1.3 本文主要研究内容16-19
• 第2章 发动机数学模型的建立19-27
• 2.1 基本守恒方程19-21
• 2.2 喷雾模型21-23
• 2.2.1 破碎模型22
• 2.2.2 蒸发模型22
• 2.2.3 碰壁模型22-23
• 2.3 湍流模型23-24
• 2.4 燃烧模型24-27
• 第3章 发动机几何模型的建立及模型验证27-33
• 3.1 发动机基本参数27
• 3.2 燃烧室几何模型的搭建27-28
• 3.3 燃烧室几何模型的网格划分28-29
• 3.4 初始条件及边界条件设置29-30
• 3.4.1 初始条件的确定29-30
• 3.4.2 边界条件30
• 3.5 计算模型的有效性验证30-33
• 第4章 天然气替代率对双燃料发动机燃烧过程影响的仿真结果及分析33-69
• 4.1 低速大负荷不同替代率下双燃料发动机燃烧过程33-44
• 4.1.1 天然气替代率为 90%时双燃料发动机燃烧过程37-41
• 4.1.2 天然气替代率为 70%时双燃料发动机燃烧过程41-42
• 4.1.3 天然气替代率为 50%时双燃料发动机燃烧过程42-44
• 4.2 天然气替代率对推迟喷油条件下双燃料发动机燃烧过程的影响44-54
• 4.2.1 推迟喷油条件下天然气替代率 90%双燃料发动机燃烧过程50-52
• 4.2.2 推迟喷油条件下天然气替代率 70%双燃料发动机燃烧过程52-53
• 4.2.3 推迟喷油条件下天然气替代率 50%双燃料发动机燃烧过程53-54
• 4.3 天然气替代率对 30%EGR 条件下双燃料发动机燃烧过程的影响54-62
• 4.3.1 30%EGR 条件下天然气替代率 90%双燃料发动机燃烧过程59-60
• 4.3.2 30%EGR 条件下天然气替代率 70%双燃料发动机燃烧过程60-62
• 4.4 各工况参数下燃烧特征的归纳总结62-69
• 第5章 全文总结及工作展望69-73
• 5.1 全文总结69-71
• 5.2 工作展望71-73
• 参考文献73-79
• 作者简介79-81
• 致谢81

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