摘 要

日益严峻的环境污染问题和日益严格的排放法规促进了天然气发动机的发展。缸内高压直喷式柴油微引燃LNG发动机在压缩到上止点附近将微量柴油和天然气分段高压直接喷入缸内，对空气充量基本没有影响，也可采用较高的压缩比使发动机的动力性和经济性得到改善，是现下的研究热点。

本文利用CONVERGE软件建立扇形燃烧室的几何模型，并选择合适的TJ机理建立了合适的发动机三维模型。在建模的基础上，研究了天然气喷射持续期、柴油喷射正时、天然气喷射正时和天然气替代率对发动机燃烧特性和排放特性的影响，结果发现：

1. 随着天然气喷射持续期的延长，缸内燃烧爆压、放热率峰值下降，NO排放、CH₄排放降低，CO排放先降低后升高。

2. 随着柴油喷射正时的推迟，缸内燃烧爆压、放热率峰值下降，NO排放降低，CH₄排放和CO排放增加。

3. 随着天然气喷射正时的推迟，缸内燃烧爆压降低，放热率峰值先下降后上升，NO排放降低，CH₄排放整体上增加，CO排放先下降后上升。

4. 随着天然气替代率的上升，缸内燃烧爆压、放热率峰值先上升后降低，NO排放先上升后降低，CH₄排放和CO排放增加。

关键词：缸内直喷；化学动力学机理；燃烧特性；排放特性

Abstract

The increasingly serious environmental pollution problems and increasingly stringent emission regulations have promoted the development of natural gas engines. Pilot-ignited high-pressure direct-injection liquid natural gas (LNG) engine directly injects the pilot and natural gas with high pressure into the cylinder near the compression to the top dead center. In general, this type of engine have no effect on the air charge and it can use a higher compression ratio. The engine's dynamic performance and economy performance have been improved, which is the current research hotspot.

In this paper, CONVERGE software is used to establish a geometric model of one-sector region of the combustion chamber including one gas nozzle and one diesel nozzle. And the appropriate TJ mechanism is selected to establish a suitable three-dimensional engine model. Based on the modelling, the effects of natural gas injection duration, diesel injection timing, natural gas injection timing, and natural gas replacement rate on the combustion characteristics and emission characteristics of the engine were investigated. It turns out that:

1. With the extension of the natural gas injection duration, the maximum value of pressure and the heat release rate decrease, NO emission and CH₄ emissions decrease, and the CO emission first decreases and then increases.

2. With the delay of the diesel injection timing, the maximum value of pressure and the heat release rate and NO emission decreases, while CH₄ emission and CO emission increase.

3. With the delay of the natural gas injection timing, the maximum value of pressure decreases, and the maximum value of the heat release rate decreases first and then increases. The emission of NO is reduced, and the CH₄ emission increases as a whole, while CO emission falls first and then increases.

4. With the increase of natural gas substitution rate, the maximum value of pressure and heat release rate rise first and then decrease. NO emission increases first and then decrease, while CH₄ and CO increase.

Key Words: High-pressure direct-injection; Chemical kinetics Mechanism; Combustion characteristics; Emission characteristics

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和绪论 1

1.1.1 环境现状及排放法规 1

1.1.2 天然气的应用 1

1.2 天然气发动机的分类 2

1.2.1 按燃料的存储方式分 2

1.2.2 按点火方式分 2

1.2.3 按进气方式分 3

1.3 缸内高压直喷式柴油微引燃LNG发动机国内外研究现状 4

1.4 CFD技术的应用 5

1.5 选题的意义和研究内容 5

1.5.1 选题意义 5

1.5.2 研究内容 6

第2章 缸内高压直喷式柴油微引燃LNG发动机模型建立 7

2.1 数值模拟的基础 7

2.1.1 控制方程 7

2.1.1.1 质量守恒方程 7

2.1.1.2 动量守恒方程 7

2.1.1.3 能量守恒方程 8

2.1.2 基本物理模型 8

2.1.2.1 湍流模型 8

2.1.2.2 喷雾、液滴破碎及撞壁模型 8

2.1.2.3 燃烧模型 10

2.2 发动机基本参数 10

2.3 几何模型及网格的建立 10

2.3.1 几何模型的建立 10

2.3.2 网格的建立 11

2.4 相关计算模块的设定 11

2.4.1 初始条件 12

2.4.2 边界条件 12

2.4.3 喷射条件 12

2.5 机理筛选与模型验证 13

第3章 相关设计参数对燃烧特性和排放特性的影响 15

3.1 天然气喷射持续期的影响 15

3.1.1 天然气喷射持续期对燃烧特性的影响 15

3.1.2 天然气喷射持续期对排放特性的影响 16

3.1.2.1 天然气喷射持续期对NO排放的影响 16

3.1.2.2 天然气喷射持续期对CH₄排放的影响 17

3.1.2.3 天然气喷射持续期对CO排放的影响 17

3.2 柴油喷射正时的影响 18

3.2.1 柴油喷射正时对燃烧特性的影响 19

3.2.2 柴油喷射正时对排放特性的影响 19

3.2.2.1 柴油喷射正时对NO排放的影响 19

3.2.2.2 柴油喷射正时对CH₄排放的影响 20

3.2.2.3 柴油喷射正时对CO排放的影响 21

3.3 天然气喷射正时的影响 21

3.3.1 天然气喷射正时对燃烧特性的影响 22

3.3.2 天然气喷射正时对排放特性的影响 23

3.3.2.1 天然气喷射正时对NO排放的影响 23

3.3.2.2 天然气喷射正时对CH₄排放的影响 23

3.3.2.3 天然气喷射正时对CO排放的影响 24

3.4 天然气替代率的影响 25

3.4.1 天然气替代率对燃烧特性的影响 25

3.4.2 天然气替代率对排放特性的影响 26

3.4.2.1 天然气替代率对NO排放的影响 26

3.4.2.2 天然气替代率对CH₄排放的影响 27

3.4.2.3 天然气替代率对CO排放的影响 28

第4章 总结与展望 29

4.1 全文总结 29

4.2 展望 30

参考文献 31

致谢 34

第1章 绪论

1.1 研究背景和绪论

1.1.1 环境现状及排放法规

近年来，全球环境污染问题日益加剧。内燃机作为交通运输部门的耗能主体，在给人们的生活生产做出巨大贡献的同时也造成了对环境的严重污染，危及人们的健康。以中国为例，据统计，交通运输部门是NO_X排放量的主要来源之一，占比已超过20%^[1]，在武汉、北京、上海等大中城市对PM_2.5的贡献率也均超过了20%^[2]。面对如此严峻的现状，各国政府相继实行了日益严格的排放标准。我国已于2018年1月1日起在全国范围内实行国Ⅴ标准。排放标准的每一次提高，对氮氧化物、碳氢化合物、一氧化碳和碳烟等排放物的限制就更为严苛，如图表1.1所示^[3]。

表1.1 中国国Ⅲ—国Ⅴ柴油车排放ESC和ELR试验限值

日益严格的排放标准同时也促使着人们寻找更加清洁的燃烧方式和燃料。天然气作为继煤、石油后的世界一次能源的第三大支柱，以其高效、洁净、方便等优势，被认为是最有前景的替代燃料。

1.1.2 天然气的应用

天然气是以烃类气体为主的烃类和非烃类混合气体，其主要成分是甲烷.

与汽油、柴油相比，天然气具有以下优势：

1. 天然气的辛烷值高，抗爆性能好，相应的极限压缩比较高，能够增大发动机的有效利用率。

2. 天然气是一种优质的清洁能源，其主要成分甲烷的碳氢比为4，燃烧产生的二氧化碳、氮氧化物和碳烟低于柴油和汽油^[4]。

3. 天然气是气态燃料，对于用于润滑、防锈的机油来说，这种燃料不会产生稀释作用，使缸内零件的磨损大大减小，能够有效的提高发动机的运行性能和使用寿命^[5]。

4. 天然气的燃点一般在650℃以上，不易像燃点为427℃的汽油那样被点燃。此外，天然气密度比空气小，即使出现泄露状况，也易于向大气中扩散，不至于达到燃烧界限，具有较好的安全性能^[5]。

5. 天然气的可燃混合气的着火浓度界限相对于柴油、汽油较宽。按照体积百分比，混合气可在5%~15%的范围内改变混合比。基于天然气的这种优点可以采用稀薄燃烧，提高发动机热效率，降低NO_X的排放^[6]。

但是，天然气作为替代燃料，也存在一定的缺点。天然气作为一种气体燃料，对于采用缸外进气的发动机而言会降低其充气效率，使发动机比柴油、汽油发动机功率下降11%~22%^[7]；天然气的着火温度为650℃~750℃，汽油为300℃~400℃，因此天然气发动机需要更高的点火能量^[8]。

1.2 天然气发动机的分类

随着天然气发动机技术的日益提高，人们对发动机的热效率及排放性能都更为重视，促进了发动机种类的增加。对于天然气发动机，可根据其燃料的存储方式、点火方式以及进气方式的不同对其进行划分。

1.2.1 按燃料的存储方式分

根据燃料存储方式的不同，天然气发动机可以分为CNG（压缩天然气）发动机和LNG（液化天然气）发动机。

CNG是天然气在20MPa的高压条件下得到的气态形式。LNG是天然气经过脱水、脱硫、脱杂质等净化处理后，在-162.6℃的低温条件下得到的液态形式。LNG是比CNG更加清洁^[9]、高效的优质能源：LNG燃料纯净度更高；LNG是在低温下液化的，存储压力较低，CNG是在高压下存储的，安全性不如LNG；LNG能量密度较高，比CNG高1~2倍。

1.2.2 按点火方式分

根据天然气点火方式不同，天然气发动机主要可以分为火花塞点火发动机和微量柴油引燃发动机两种。

火花塞点火方式需要采用高能火花塞点火，通过对点火时间、点火能量进行精确控制以实现可燃混合气的单点着火燃烧。

微量柴油引燃方式通过压燃先喷的微量柴油，在燃烧室迅速燃烧释放能量形成大量的火核，以实现天然气可燃混合气的多点着火燃烧，克服了火花塞单点着火模式混合气燃烧初期火焰传播速度慢的缺点，提高了燃烧速度，具有引燃效果好、点火可靠、燃烧稳定、动力性强、热效率高等优势^[10]。

1.2.3 按进气方式分

根据天然气的进气方式不同，天然气发动机可以分为缸外进气发动机和缸内进气发动机两种。缸外进气又可分为总管进气和支管进气；缸内进气包括缸内低压直喷和缸内高压直喷，如图1.1所示。

图1.1 不同进气方式的天然气发动机

缸外进气发动机采用预混燃烧模式，可燃混合气参与气缸的压缩行程，必须考虑爆燃问题，对燃气的抗爆性能提出要求。同时，缸外进气时进气管中天然气占据一定的体积，降低了发动机的充气效率。

缸内低压直喷式发动机采用预混燃烧模式，在进气阀关闭后（压缩冲程初期或中期），将天然气以相对低压直接喷入气缸，当活塞运动到上止点附近时点燃可燃混合气。虽然避免了发动机在进气冲程中的泵气损失, 使进气充量有所提高，但是喷入的天然气参与压缩行程，考虑爆燃的影响，低压喷射的发动机的压缩比一般较低，从而限制热效率的进一步提高^[11]。

缸内高压直喷式发动机采用扩散燃烧模式，在发动机压缩上止点附近，通过特殊设计的喷射装置将微量柴油和天然气分段高压直接喷入气缸内。缸内高压喷射对于发动机的充气效率几乎没有影响，克服了缸外进气发动机的缺点，有利于发动机性能的进一步完善。同时，由于天然气不参与压缩过程，不存在爆燃的风险，对燃料的抗爆性能没有要求，可采用较高的压缩比，具有较好的动力性和经济性。此外，缸内高压直喷式发动机在气门叠开期间避免了燃气直接排出缸外，HC排放低。因此，高压直喷式天然气发动机成为重要的研究方向和研究热点。

1.3 缸内高压直喷式柴油微引燃LNG发动机国内外研究现状

天然气以LNG形式储存、采用微量柴油引燃的缸内高压直喷式发动机被定义为缸内高压直喷式柴油微引燃LNG发动机。缸内高压直喷式柴油微引燃LNG发动机建立了以天然气(LNG经气化后的气体）缸内高压直喷技术为核心，先喷入的微量柴油在燃烧室内燃烧形成大量火核并引燃可燃天然气混合气的全新燃烧模式。

缸内高压直喷(HPDI)柴油微引燃技术和天然气缸内扩散燃烧理论最初是由英属哥伦比亚大学的Philip Hill教授提出的^[12]。

2004年，英属哥伦比亚大学Jones^[13]利用实验的方法对高压直喷式天然气发动机进行了研究，探究了引燃柴油量、当量比和废弃再循环等对碳烟排放的影响，发现增加当量比和EGR率都会造成碳烟排放的增加。

2015年，西港公司McTaggart-Cowan等^[14]利用OpenFoam对高压直喷式天然气发动机进行了三维建模，研究了不同天然气喷射压力对发动机工作特性的影响。研究发现提高天然气的喷射压力有利于提高发动机的热效率，降低发动机的碳烟排放，但是会导致的排放增加。

2015年，西港公司Patychuk B等^[15]利用实验的方式对高压直喷式天然气发动机进行了研究，探究了不同配气相位，包括进气门早关、进气门晚关、排气门早开及排气门晚关四种状况对发动机排放特性的影响。研究发现在10%的低负荷工况下，采用排气门早关可实现CH₄、NO_X和CO的减排，但排气温度有所升高；在负荷小于50%的工况下，采用进气门早关可实现CH₄排放降低约70%；在高负荷工况下，采用进气门早关可实现NO_X排放降低约19%。

2016年，英属哥伦比亚大学Mabson等^[16]对高压直喷式天然气发动机进行了三维建模，将详细的甲烷机理和正庚烷机理耦合，探究了天然气喷嘴对发动机燃烧过程的影响。研究发现在不同工况下，采用配对喷嘴的碳烟排放和CO排放比原始喷嘴高3~10倍。

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