摘 要

缸内高压直喷式（HPDI）柴油微引燃LNG发动机既能保持原有动力性又能大幅降低污染物排放，因此具有广阔应用前景。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，其中燃料的喷雾及着火过程对发动机的燃烧特性和排放特性具有较大影响，因此需要对发动机的喷雾特性和着火特性进一步研究。本文缸内高压直喷式柴油微引燃LNG发动机进行了三维数值模拟，通过分析可视化的缸内当量比分布和温度场变化研究了天然气喷射时刻，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缸内高压直喷式柴油微引燃LNG发动机喷雾特性和着火特性的影响。研究结果表明：

1. 随着柴油与天然气喷孔周向夹角的增大，天然气喷束在缸内的阻力会更小，贯穿缸内损失的动量更少，于是会产生更强的卷吸效果，使得天然气喷束的周围的混合效果更好。
2. 随着喷射时刻的提前，天然气射流在较早的时间与燃烧室室壁分离，形成的涡结构较弱，着火时刻提前。
3. 随着天然气喷射持续期缩短，喷射压力增大，形成的涡结构更强，使着火时刻提前。
4. 随着柴油喷射正时延后，天然气射流与燃烧室室壁在较晚的时间分离，越难形成涡结构，天然气混合变差且着火延时。

关键词：高压直喷;数值模拟;喷雾特性;着火特性

ABSTRACT

High-Pressure Direct-Injection (HPDI) nature gas engine can maintain the original dynamic characteristic and significantly reduce pollutant emissions, so it has broad application prospects. The work process of the HPDI nature gas engine includes the injection and ignition of micro-diesel and natural gas and the dual-fuel mixed combustion process, in which the fuel spraying and ignition process has a great influence on the combustion characteristics and emission characteristics of the engine, so, it is necessary to further study the spray and g characteristics of the engine. In this paper, a numerical simulation was performed to investigate the pilot ignited natural gas combustion process in a direct injection natural gas engine. The natural gas injection timing, the natural gas injection duration, the diesel injection time and the circumferential angle between the diesel and natural gas injection nozzles are studied by analyzing the equivalence ratio distribution and temperature field changes in the cylinders to exploretheir effect on High-Pressure Direct-Injection (HPDI) nature gas engine’s spray characteristic and ignition characteristic. Research indicates:

1. With the increase of the circumferential angle between the injection hole of diesel and natural gas, the resistance of the natural gas jet in the cylinder will be smaller, the momentum loss through the cylinder will be less, and a stronger suction effect will result, making natural gas’s mixing effect better around the spray jet.

2. With the advancement of the injection time, the natural gas jet is separated from the combustion chamber wall at an earlier time, the formed vortex structure is weaker, and the ignition timing advances.

3. As the natural gas injection duration is shortened and the injection pressure is increased, the resulting vortex structure is stronger and advances the ignition timing.

4. As the diesel injection timing is delayed, the natural gas jet and the chamber wall are separated at a later time, so it is more difficult to form a vortex structure, resulting the natural gas mixture becomes poor and the ignition delay.

Key Word: High-Pressure Direct-Injection; numerical simulation；spray characteristic；ignition characteristic

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 能源问题与排放法规 1

1.1.2 替代能源天然气的应用 3

1.2 天然气发动机的发展现状 4

1.3 缸内高压直喷式柴油微引燃LNG发动机 5

1.4 CFD技术在内燃机中的应用 7

1.5 国内外研究现状 7

1.6 本文主要研究内容 8

第2章 缸内高压直喷式柴油微引燃LNG发动机仿真模型的建立 9

2.1 基本的控制方程 9

2.1.1 质量守恒方程 9

2.1.2 动量守恒方程 9

2.1.3 能量守恒方程 10

2.2 CFD网格模型的建立 10

2.3 CFD物理模型的建立 12

2.3.1 喷射模型 12

2.3.2 燃烧模型 12

2.3.3 湍流模型 12

2.4 模型校对 13

2.4.1 计算边界条件 13

2.4.2 模型准确性验证 14

2.5 本章小结 15

第3章 缸内高压直喷式柴油微引燃LNG发动机喷雾过程和着火过程仿真研究 16

3.1 发动机模拟工况的选择 16

3.2 喷雾过程和着火过程分析 16

3.3 柴油喷孔与气体喷孔径向夹角的影响 18

3.4 天然气喷射时刻的影响 21

3.5 天然气喷射持续期的影响 24

3.6 柴油喷射时刻的影响 26

3.7 本章小结 29

第4章 全文总结及工作展望 30

4.1 全文总结 30

4.2 工作展望 31

参考文献 1

致谢 1

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 能源问题与排放法规

内燃机的出现使得世界进入了一个全新的时代。随着内燃机越来越广泛普及和快速的发展，不仅给人类生活的方方面面带来了便利，也对我们赖以生存的环境造成严重的破坏。如今，环境问题已是阻碍世界发展最大问题之一。

海运业是大气污染物的主要来源之一。船舶的大气排放主要是由发动机消耗燃油产生的。发动机排放的废气中主要的化学成分有CO₂、CO、NO_x、SO₂等气态污染物，以及颗粒态的BC和POM等。船舶排放的NO_x占化石燃料源的15%左右，SO₂占人为源的4%~9%^[1]。在大气中经过物理和化学变化产的硫酸盐、二次硝酸盐也是重要的污染物来源。排放废气中的污染物对环境造成了严重的破坏，降低了该区域的空气质量，损害人的身体健康，还在大气流动下对全球的辐射收支和对流层的成云产生影响。随着八十年代我国初步制定船舶污染物排放标准，到2016年最新发布的GB15097船舶发动机排气污染物限制标准^[2]，随着工业的发展和技术水平的提高，我国污染物排放的控制标准越来越严格，表1.1为我国发展至今针对船舶发动机排放制定的一系列标准^[3]。

表1.1 船舶污染物相关标准

1.1.2 替代能源天然气的应用

目前，解决发动机尾气污染问题的主要研究方向之一是使用替代燃料，包括天然气，乙醇和生物再生燃料。天然气因其高效燃烧，清洁环保，价格低廉等优点成为发动机替代燃料的研究热点。据国际能源署（IEA）统计，按照目前的消耗水平，全球天然气资源可持续开采200多年^[4]。截至2016年底，全球天然气探明储量186.6万亿ｍ³，近20年来全球天然气探明储量一直稳步增长，2016年比21世纪初增长了23%，年均增长率1.3%。而天然气消费量由2000年的2.41万亿m³增长到2016年的3.54万亿m³，年均增长率2.4%，是增长最快的化石能源，在一次能源消费中的比重也逐渐增加至24.1%。根据BP和IEA等机构的预测^[5]，未来5年全球天然气消费量将保持1.6%的增速，到2022年全球天然气需求量将达到4万亿m³左右，而到2035年将达到5万亿m³左右，在一次能源消费中的比重将达到27%左右，与石油和煤炭相当。这些都意味着，天然气将在未来占据更重要的位置，为未来的环境保护带来更多积极的影响。

天然气和汽柴油的不同组分，不同物性，根本性的决定了它们之间的使用差别。表1.2中列举了三种燃料的物理性质^[6]。

表1.2 三种不同燃料的物性

首先，从安全方面来看。天然气的自燃温度高达548~750℃，比汽柴油的自燃温度高的多，即使天然气泄漏也不容易自燃；天然气的密度更小，当泄漏发生时，天然气会迅速在空气中向上扩散，不易达到着火的浓度。因此，天然气是一种很安全的气体燃料^[6]。

从环境保护方面来看。天然气有着更低的碳氢比，因此释放相同热量下产生的CO₂明显更少。从原始天然气的化学成分，已知它不含有害物质，如硫，苯和烯烃。从化学成分的角度来看，天然气发动机理论上可以将碳氢化合物排放量减少90％，一氧化碳减少80％，氮氧化物排放量减少50％^[6]。

从经济性方面来看。按同等热值计算，天然气价格低于其他化石燃料，且价格相对稳定。不像原油，它不会上下跳动。更令人欣慰的是，随着美国和加拿大继续扩张页岩气开发，澳大利亚，非洲和中东国家增加其液化天然气生产能力，液化天然气正悄然转向买方市场，而液化天然气价格稳步下降^[5]。且天然气燃烧清洁，结碳少，辛烷值高，延长了发动机的使用寿命。与汽油和柴油发动机相比，每年维护成本可降低50％以上，发动机润滑成本可降低50％。从这个角度来看，经济效应更加明显。

随着相关技术发展和人们对环境问题的日益关注使得天然气在交通领域内的应用越来越广泛。

1.2 天然气发动机的发展现状

虽然初期阶段的燃气发动机的发展并不像汽油发动机的发展那么突出，但是石油危机和环境污染的问题在20世纪60年代中期已经出现，许多发达国家认识到燃气发动机在这方面的巨大优势。因此，天然气发动机进入了一个新的发展阶段。

目前的天然气发动机按点火方式分为电火花引燃和柴油引燃^[7]，前者需要高能火花点火，其控制点火正时和点火能量以实现可燃混合物的正常点火。后者是通过先导喷入少量的引燃柴油，柴油压燃，并点燃后续喷入的天然气，是一种多点着火方式。

按燃料种类可分为气体发动机和双燃料发动机^[7]。双燃料发动机又分柴油微引燃发动机和混烧发动机。混烧发动机是在已有成品柴油机上增加一套天然气供应系统，将柴油和天然气按一定比例混合后喷入气缸，混合的比例可根据实际需要进行调节。混烧机在结构上没有针对气体燃料进行优化调整，难以发挥气体燃料的优势，总体性能与原机型差别不大，且由于较差的燃烧效果，碳氢化合物的排放显著增高。柴油微引燃式双燃料发动机可针对气体燃料对发动机参数调整，有效发挥了气体燃料的优势，改善了排放性和经济性。相较于混烧机，微引燃式双燃料机在保持原有的动力性的条件下具有更好的排放特性，是目前内燃机领域主要的研究方向之一。

按天然气的进气方式，天然气发动机可分为缸外进气和缸内进气两种^[7]。前者又分总管和支管进气。由于总管进气式的排放性能较差，在日益严格的排放标准下最终会被淘汰。缸内进气即缸内直喷，分为低压缸内直喷和高压缸内直喷。表1.3为国内外现有LNG发动机技术性能对比^[8]。从表中对比可以看出，从动力性，排放性能，经济性方面综合考量，可以看到缸内高压直喷式具有较好的总体性能。

表1.3 国内外LNG发动机技术性能对比

1.3 缸内高压直喷式柴油微引燃LNG发动机

在二十世纪八十年代，哥伦比亚大学的Philip Hill教授对天然气直喷技术进行了研究，并基于天然气扩散燃烧理论开创了天然气发动机的高压缸内直喷技术（HPDI）。与此同时，美国西南研究院也同意高压缸内直喷技术可以在提高效率的同时有效减少有害污染物的排放。基于这项研究，哥伦比亚大学和西港创新公司联合开发了一种天然气缸内直喷系统^[9]。

1997年4月，西港创新推出了首台天然气高压直喷发动机，该发动机排量为9L，压缩比为17，缸径为123mm×127mm，2100rpm，功率为224kW。燃烧系统及喷射器结构如图1.1和图1.2所示。

电磁阀

柱塞

供油/回油

通断两位阀

天然气

引燃油柱塞

引燃油针阀天然气针阀

引燃油喷束

1.1 HPDI燃烧系统 1.2喷射器结构

其高压缸内直喷系统中采用油气共用高压喷射器^[9]。该喷射器可同时控制两种燃料的喷射，气体喷射压力为19MPa。随着凸轮顶着柱塞向下运动，油腔内压力升高，当超过弹簧阻力时，针阀开启，引燃柴油喷入。柱塞继续向下运动，开启天然气喷射针阀，电磁阀控制天然气喷射量。通过调节弹簧的预紧力改变柴油和天然气的喷射间隔。微量柴油被喷入汽缸后首先被压燃，引燃随后高压喷入的天然气。通常引燃柴油喷射量是固定的，其能量约为全负荷时燃料总能量的5%，天然气喷射压力控制在16-25MPa。西港高压直喷式天然气发动机的成功研发，让该技术得到了广泛的认同和产品化开发。

天然气高压直喷发动机的优势主要有^[9]：

1. 动力性好。缸内高压直喷发动机直接将气体以较高的压力注入缸内，能够有效解决缸外喷射和低压喷射造成的充量效率不足和功率下降的问题，且具有很好的动力性和热效率。
2. 排放性能好。天然气是一种清洁燃料，采用HPDI技术，将天然气作为主燃料，在缸内非均质燃烧做功，可降低爆压和缸内最高温度，有害污染物的排放显著降低。
3. 可靠性高。作为主燃料的天然气具有较高的辛烷值，缸内高压直喷式发动机具有较好的抗爆震性能，因此可靠性高。
4. 经济性高。高压缸内直喷天然气发动机天然气替代率高达95%，可有效降低使用成本。

1.4 CFD技术在内燃机中的应用

CFD(Computational Fluid Dynamics)即计算流体动力学。正随着计算机技术的发展得以广泛应用。CFD技术是基于基础的守恒定律,运用数值方法模拟流场流动,获得流场内物理量的变化情况。在发动机的实际过程中,由于复杂的物理过程和化学反应,仅仅通过经验方法和实验难以揭示缸内的工作过程,借助CFD技术来模拟计算发动机工作过程就变得更加重要^[10-12]。本文中主要应用CONVERGE，在这里介绍一下这种软件。

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