直喷天然气柴油引燃发动机火核形成及燃烧过程的研究

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1、天津大学硕士学位论文直喷天然气柴油引燃发动机火核形成及燃烧过程的研究StudyonIgnitionCoreFormationandCombustionProcessinaDieselPilotIgnitedDirectInjectionNaturalGasEngine学科专业：动力机械及工程研究生：聂小焜指导教师：苏万华教授天津大学机械工程学院2017年12月摘要天然气具有较低的碳/氢比和碳/热值比，有利于降低PM和CO2排放，被认为是极佳的柴油替代燃料。柴油引燃天然气发动机保持了柴油机燃油经济性

2、好、着火时刻容易控制的优点，得到了广泛应用。传统柴油引燃天然气发动机低负荷下火焰传播慢，未燃碳氢（UHC）排放高。并且由于充气效率和高负荷工作粗暴的限制，负荷范围普遍低于柴油机水平。采用天然气直喷技术，可以实现混合气分层，从而控制着火核心形成及火焰传播速率，有利于燃烧过程的优化。本文采用数值模拟的方法研究直喷天然气柴油引燃发动机火核形成及燃烧过程。首先从着火核心形成的角度，研究在不同天然气和引燃柴油浓度分布条件下着火核心的形成及对燃烧过程的影响。研究发现，着火核心位于天然气较浓的区域不利于引燃柴油

3、喷雾着火，这是因为该处氧浓度不足、当量比较高(ΦNG>0.85)。而着火核心位于天然气浓区附近较稀的区域(ΦNG=0.6~0.8)有利于柴油喷雾的快速着火，并且火核附近的浓混合气可加快火焰的传播。燃烧过程中形成多个着火核心有利于扩大缸内燃烧反应区的分布，从而加强燃烧过程。接着为优化天然气当量比分布，提出天然气两次喷射策略，并对不同天然气分层和进气增压条件下的火核形成及火焰传播进行研究。研究发现，天然气两次喷射相比单次喷射可以有效减少天然气进入挤气容积，有利于降低UHC排放。天然气分布影响火核的发展

4、和火焰传播，火核周围高比例的浓混合气(0.6<ΦNG≤0.85)会提高整体燃烧速率。而燃烧室中心聚集较多的过浓混合气(ΦNG>0.85)容易引起过高快的火焰传播，增大燃烧粗暴程度。负荷一定条件下，提高增压压力，天然气当量比降低，浓区比例减少。火核初期发展加快，但后期火焰传播速率降低，导致燃烧损失增大。而由于传热损失减小，使得指示热效率随增压压力的增大呈现先增后降的趋势，并且其转折点与天然气分层程度相关。最后针对直喷天然气柴油引燃发动机小负荷和大负荷燃烧过程进行研究。研究发现，适当推迟天然气喷射和降

5、低喷气压力可以提高分层程度，有利于小负荷下火核的快速形成和天然气的快速燃烧。而大负荷混合过程中容易形成较多的浓混合气(0.6<ΦNG≤0.85)和过浓混合气(ΦNG>0.85)，造成体积式的燃烧，可实现柴油微引燃。仅采用增压和EGR，大负荷的最大爆发压力过高，进气门晚关可以有效解决这一问题。采用进气门晚关后，火核形成速率降低，初期火焰传播速率降低，燃烧放热变缓，有利于柴油引燃天然气发动机大负荷的拓展。关键词：天然气发动机，缸内直喷，混合气分层，引燃，着火核心，火焰传播，燃烧过程IIABSTRACT

6、NaturalgasisaperfectalternativefuelfordieselengineduetoitslowC/HratioandC/LHVratio,whichhelptodecreasesootandCO2emissions.Dieselpilotignitednaturalgasengineiswidelyusedasitmaintainsgoodfueleconomyofdieselengineandhasagoodcontrollabilityofignitiontimin

7、g.TraditionaldieselpilotignitedNGenginehashighUHCemissionsatlowloadcausedbyslowflamepropagation.Moreover,itusuallyhasalowermaximumloadthanequivalentdieselengineduetolimitedchargeefficiencyandhighringingintensityathighload.Naturalgasdirectinjectionenab

8、lesmixturestratification,whichcontrolsignitioncoreformationandflamepropagationspeedforcombustionoptimization.Thispaperconductedanumericalstudyonignitioncoreformationandcombustionprocessinadieselpilotignitednaturalgasdirectinjectionengine.First