双燃料低速船机火焰发展和污染物生成机理

基于计算流体力学平台CONVERGE以及MATLAB后处理程序,通过数值仿真的方法,研究了船用柴油-天然气双燃料发动机预燃室内外的着火燃烧过程和火焰发展机制.此外,研究了双燃料发动机有害污染物氮氧化物(NOx)和碳氢(HC)生成及迁移过程.结果表明:整个燃烧过程分为三个阶段,首先,在预燃室内的流动和进气作用下,近通孔处...     

不同简化机理对高压直喷天然气船机燃烧和排放影响研究

基于三维CFD仿真软件模拟了高压直喷天然气船机的燃烧过程,探讨了四种不同简化程度机理对燃烧和排放的影响规律。结果表明：四种机理均能很好的预测高压直喷天然气船机在不同喷射时刻下的缸压和放热率。四个机理预测的燃烧相位和最高爆发压力随喷射时刻提前或推迟变化趋势一致;预测的不同燃烧相位的温度、当量比和NO_x分布存在较小差异。但35步机理和27步机理预测的碳烟排放比334步机理和250步机理高。整体上,受船机大尺度计算资源高限制,耦合简化的35步和27步机理的CFD模型预测的燃烧参数最大误差小于4.3%,预测的NO_x排放最大误差小于12.0%,能够满足船机工程开发需求。     

甲烷/乙烷与甲烷/丙烷混合燃料着火特性

利用激波管与CHEMKIN软件研究了不同初始条件下乙烷和丙烷的掺混对甲烷着火延迟时间的影响规律,并从化学动力学角度分析了掺混乙烷和丙烷对甲烷着火延迟时间造成影响的原因。实验与模拟研究表明乙烷和丙烷的掺混会造成甲烷着火延迟时间的大幅度缩短,但随着温度的升高,其对甲烷着火延迟时间的影响逐渐变小。通过敏感性分析发现无论是甲烷/乙烷混合燃料还是甲烷/丙烷混合燃料,对着火促进最大的基元反应都是H+O₂=O+OH（R1）,在甲烷/乙烷和甲烷/丙烷混合燃料的着火反应中对着火抑制最大的两个基元反应是CH₄+H=CH₃+H₂（R128）和CH₄+OH=CH₃+H₂O（R129）。通过路径分析发现在甲烷/乙烷与甲烷/丙烷混合燃料中,随着混合燃料中乙烷与丙烷比例的增加,甲烷的主要反应路径基本不发生变化,主要影响了CH₃的消耗速率。     

米勒循环协同废气再循环对高压直喷天然气船机的影响研究

基于CONVERGE建立了高压直喷(high-pressure direct injection,HPDI)天然气低速船机三维仿真模型,并基于该模型研究了米勒循环和废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)对发动机燃烧特性及污染物排放的影响规律,探究了米勒循环耦合EGR路线满足TierⅢ排放法规的可行性。研究结果表明,单独使用30%EGR率可满足TierⅢ排放标准,但指示油耗和碳烟排放增加显著;应用米勒循环降低NOx排放的潜力低于EGR;过大的排气门晚关角度会增大压气机工作负荷,且降低等量NO_x排放情况下油耗牺牲较大;采用25%EGR率耦合小程度米勒循环(排气门关闭时刻推迟5°曲轴转角)并适当提前天然气喷射正时(提前2°曲轴转角),可在指示油耗仅增加1.58%的前提下降低77%的NO_x排放,是满足TierⅢ排放法规可行的技术路线。     

甲烷/乙烷与甲烷/丙烷混合燃料着火特性

利用激波管与CHEMKIN软件研究了不同初始条件下乙烷和丙烷的掺混对甲烷着火延迟时间的影响规律,并从化学动力学角度分析了掺混乙烷和丙烷对甲烷着火延迟时间造成影响的原因。实验与模拟研究表明乙烷和丙烷的掺混会造成甲烷着火延迟时间的大幅度缩短,但随着温度的升高,其对甲烷着火延迟时间的影响逐渐变小。通过敏感性分析发现无论是甲烷/乙烷混合燃料还是甲烷/丙烷混合燃料,对着火促进最大的基元反应都是H+O_2=O+OH(R1),在甲烷/乙烷和甲烷/丙烷混合燃料的着火反应中对着火抑制最大的两个基元反应是CH_4+H=CH_3+H_2(R128)和CH_4+OH=CH_3+H_2O(R129)。通过路径分析发现在甲烷/乙烷与甲烷/丙烷混合燃料中,随着混合燃料中乙烷与丙烷比例的增加,甲烷的主要反应路径基本不发生变化,主要影响了CH_3的消耗速率。     

天然气后喷对高压直喷天然气船机燃烧和排放的影响研究

对于高压直喷天然气发动机,尽管其碳烟排放低于传统柴油机,但由于引燃油和直喷天然气存在扩散燃烧过程,因此其碳烟排放较低压天然气更高,需要进一步降低碳烟排放以满足严格排放法规的要求。本文利用流体动力学软件Converge建立了高压直喷天然气船机的三维仿真模型,基于该模型研究了后喷策略对高压直喷天然气船机燃烧和排放的影响。结果表明：随着后喷比例增大,最高爆压略微升高,燃烧持续期增长;随着喷射间隔的增大,最高爆压不变,但后喷燃烧相位推迟,燃烧持续期增长。与无后喷算例相比,后喷比例增大到10%和20%时,碳烟排放分别降低了7.7-13.5%和1.5-11.5%,NOx排放分别升高了12-15%和5-7%,指示燃油消耗率分别增大了约0.1%和1%;而后喷比例为30%时,碳烟排放升高了2-8%,NOx排放降低了5-7.7%,指示燃油消耗率增大了约2.3%。研究为高压天然气喷射满足更加严格的排放法规提供理论基础。