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生物制气—柴油双燃料发动机燃烧试验与模拟

梁昱  
【摘要】: 内燃机燃料的主要来源为石油和天然气,化石能源渐趋枯竭,温室效应导致全球灾难性气候频繁发生,环境污染日益严重。因此,寻找新的内燃机能源迫在眉睫。生物质能作为可储存和运输的可再生能源,其高效转换和洁净利用日益受到全世界的重视。本文简述了内燃机的能源现状和发展趋势;综述了生物质能源的现状,双燃料发动机技术和双燃料发动机燃烧模拟的进展以及生物质气化技术的发展和研究现状。在前人研究的基础上对生物制气-柴油双燃料发动机的应用技术和理论模型进行了较为深入的探讨,为生物质能源在双燃料发动机上的利用及发展方向提供了的依据。 采用自行设计的下吸式气化炉,以农林废弃的生物质为原料产生生物制气,并经过冷却滤清后,将洁净的常温生物制气通入由ZH1115直喷式柴油机改装而成的双燃料发动机。针对可燃生物制气的存在使进入气缸中的空气比相同排量柴油机少,有可能使发动机由于空气不足而使燃料不能充分燃烧,发动机动力性、经济性下降,分析了生物制气的成份及性能,推导了气体-柴油双燃料发动机与柴油机相比的动力性变化计算公式并与试验结果吻合较好。分别进行了纯柴油和双燃料运行时的试验研究。对比分析了柴油机和生物制气-柴油双燃料发动机的万有特性、燃烧特性和比排放特性。分析了负荷、转速、供油提前角等参数对柴油机及双燃料发动机燃烧过程的影响。结果表明:双燃料发动机的燃烧始点落后于柴油机;除低速大负荷外,最高燃烧压力、最大燃烧压力升高率均低于柴油机,最高燃烧压力与最大燃烧压力升高率对应相位均滞后于柴油机;双燃料发动机的后燃较为严重。双燃料发动机的NO_x排放量远比柴油机低。 以引燃油喷雾混合、燃烧化学反应机理、湍流运动和燃烧计算、NO_x预测模型、初始及边界条件设定和计算网格划分为主要内容,探讨并建立了生物制气-柴油双燃料发动机的三维燃烧模型。引燃油喷雾混合模拟中,采用离散相液滴模型模拟引燃油液滴的运动;实心圆锥体(solid cone)射流源和Rosin-Rammler分布来描述引燃油的喷射,并采用多段射流源的方法贴近实际的喷油规律;Wave Breakup模型模拟引燃油液滴的破碎:O'Rourke随机碰撞模型模拟液滴的碰撞,并考虑了液滴与壁面碰撞的反弹和粘附;采用Hardcnburg和Hase提出的公式计算滞燃期。湍流运动采用RNG(Renormalization Group Theory)κ-ε方程模拟,并采用壁面函数对壁面湍流进行修正。燃烧计算中,将层流有限速率模型与涡耗散模型进行结合来计算净反应速率;采用单步反应来描述柴油的燃烧;生物制气,则分别采用简化机理和一氧化碳、氢气、甲烷各自的单步反应来处理。NO_x预测模型中,包含了热力型NO_x、瞬发型NO_x和燃料型NO_x的形成,并采用概率密度函数(PDF)方法进行计算。初始条件尽量采用试验中获得的数据,以便获得较好的模拟结果。网格模型中,由于喷油嘴为均布四孔喷嘴,因此只建立缸内四分之一几何空间模型,结合周期性边界,可减小计算时间;用六面体和楔形单元进行网格划分,结合网格刚体运动和网格层铺实现动态网格模拟。 通过模拟结果与试验结果的对比表明:本文建立的三维燃烧模型可以较好的模拟柴油机和生物制气-柴油双燃料发动机的燃烧过程,预测发动机的各项性能参数。在此基础上,利用三维燃烧模型,预测分析了不同引燃油量、不同生物制气成份和不同进气量等参数对双燃料发动机燃烧过程的影响。结果表明:引燃油量减小,燃烧始点延迟,最高燃烧压力降低,最高燃烧压力对应转角滞后,后燃增加,NO_x的排放量降低。生物制气的热值越高,缸内最高燃烧压力越大,平均温度也越高,同时NO_x排放量也越大。


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