摘 要

为解决日益严重的石油短缺问题、能源危机以及环境恶化问题，双燃料发动机因其具有更好的能源效率和功率输出以及技术简单、成本较低的优点，越来越受到研究学者的重视，LNG作为发动机替代燃料得到迅速发展。本文通过使用三维流体仿真软件CONVERGE对柴油-LNG双燃料发动机进行了数值模拟研究，因为国内对于柴油引燃缸内预混天然气双燃料发动机爆震的研究不多，因此本文重点研究该发动机在爆震工况下的燃烧过程，并通过控制变量法改变当量比、进气压力以及柴油喷射量来探究不同参数工况下对爆震燃烧影响的规律，并利用专业的后处理软件ensight对模拟结果进行处理，从中提取9个监测点位置来代表缸内位置的局部压力波动，并利用爆震强度KI量化爆震的剧烈程度，得出不同的参数工况对爆震燃烧发生时刻、发生位置以及爆震强度的影响。

关键词：双燃料发动机；数值模拟；燃烧；爆震

Abstract

In order to solve the increasingly serious oil shortage, energy crisis and environmental degradation, dual fuel engines attract more and more attentention by researchers because of their better energy efficiency and power output, as well as the advantages of simple technology and low cost. As an engine alternative fuel has been rapidly developed. In this paper, the numerical simulation of diesel-LNG dual-fuel engine is carried out by using three-dimensional fluid simulation software CONVERGE. Because there is not much research on the knocking of premixed natural gas dual-fuel engine in diesel ignition cylinder, this paper focuses on the explosion of this engine. The combustion process under earthquake conditions, and change the equivalence ratio, intake pressure and diesel injection quantity by the control variable method to explore the law of the impact on the knocking combustion under different parameter conditions, and use the professional post-processing software ensight to simulate the simulation results. The processing is carried out, and 9 monitoring point positions are extracted to represent the local pressure fluctuations in the in-cylinder position, and the knocking intensity KI is used to quantify the severity of the knocking, and the different parameter working conditions are generated for the occurrence time ,intensity and occurrence position of the knocking combustion.

Key Words: Dual fuel engine; numerical simulation; combustion; knock

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

第2章 数值模拟及模型验证 4

2.1 CONVERGE软件介绍 4

2.2 几何模型的建立 4

2.2.1发动机参数 4

2.2.2 燃烧室模型的建立 4

2.3 计算模型的建立 5

2.3.1 湍流模型 5

2.3.2 喷雾模型 5

2.3.3 碰撞/破碎/曳力模型 6

2.3.4 撞壁模型 6

2.4 反应机理 6

2.5 模型验证 6

2.6 本章小结 7

第3章 双燃料发动机爆震燃烧仿真分析 8

3.1 爆震燃烧宏观特征分析 8

3.2 爆震燃烧微观参数场分析 10

3.3 本章小结 12

第4章 双燃料发动机爆震规律仿真分析 13

4.1 进气压力对爆震燃烧的影响 13

4.2 当量比对爆震燃烧的影响 19

4.3 油喷射量对爆震燃烧的影响 25

4.4 本章小结 31

第5章 全文总结及工作展望 32

5.1 全文总结 32

5.2 工作展望 32

参考文献 33

致谢 35

第1章 绪论

1.1研究背景

近年来，内燃机在各个领域都承担着重要的作用，随着人类对内燃机提出的要求越来越高，内燃机的发展受到了极大的促进，在人类的积极探索下，研发了多种类型的发动机。

石油是内燃机燃料的主要来源，随着人们对发动机的使用越来越多，石油的消耗量日益增加。人类毫无克制的发掘和使用，造成了如今的石油能源危机，也出现了大量的环境恶化问题。人类一直在寻找石油的替代燃料，其中被广泛关注和研究的替代燃料主要有液化石油气、天然气、氢气等^[1]。其中天然气储量大，并且具有很高的热效率。

相比于电火花点燃发动机，双燃料发动机具有更好的能源效率和功率输出，而相比于压燃式发动机而言，它技术简单、成本较低,与普通柴油机相比，其二氧化碳排放量可减少18%-20%，氮氧化物、硫氧化物减少均达到90%，而排放的颗粒物基本上为零。根据实际装船使用的柴油-LNG双燃料发动机在运行中的数据分析，以LNG燃料替代柴油燃料具有较高的平均替代率，能很好的缓解当今石油资源短缺的问题，因此LNG作为发动机替代燃料得到迅速发展。目前双燃料发动机一直是一个研究热点，大量研究人员为研究双燃料发动机工作特性和燃烧特性，选择数值模拟手段或者试验手段进行研究。

发动机爆震源于提前于传播火焰的末端气体的自动点火。爆震中的燃烧进程有两个阶段：火花点火引起的火焰传播和末端气体自动点火导致压力震荡。

1.2 国内外研究现状

浙江大学的严兆大等人^[2]通过创建双燃料发动机燃烧模型，初步探索了爆震工质能量释放之间的关系，并利用热力学和化学反应动力学对模型作了较为充分的论述，得出爆震主要取决于混合气浓度的结论。

吉林大学的高青等人^[3-5]通过研究双燃料发动机的复合燃烧规律，得出引发爆震的原因是源于燃料燃烧速率慢以及着火滞后。由于发动机在高负荷下易发生爆震，此时应当降低混合气的浓度或增大引燃柴油量来抑制爆震的发生。

Crookes RJ等人^[6]通过研究发现发动机在高负荷发生爆震，主要是由于在柴油还未扩散到末端天然气区域时，末端天然气已经发生自着火。

吉林大学的李晓晓^[7]通过利用三维流体软件CONVERGE，探究缸内直喷发动机在不同工况下的爆震规律。主要通过控制变量法改变参数来改变发动机的工况，发现在发动机的预混合阶段，燃烧速率过快会导致燃烧释放的能量迅速增加，引发了爆震。

爆震是发动机一种不正常燃烧，对发动机寿命有不利的影响，会在发动机工作时引起发动机的高频率振动，当缸内压力波动损坏活塞和气缸上的热边界层时还会损害发动机结构^[8]。为了有效抑制爆震的发生，首先需要对爆震预测特性进行研究。目前研究中爆震的检测方法有以下几种：1）缸体的振动^[9]，例如先通过传感器提取缸体振动信号，然后分析该振动信号来检测爆震的发生时刻及特点^[10-11]；2）通过缸内压力检测爆震，如通过缸压传感器检测缸内压力信号，然后分析处理该信号得到爆震发生的时刻及强度特征^[12]；3）通过燃烧噪声，如通过宽带声学传感器测量爆震是燃烧声波来检测爆震^[13]；4）燃烧光强测量，通过光纤传感器得到燃烧时压力和光强信号^[14]；5）还有通过电力电流信号检测爆震的方法^[15-16]。

放热率（HRR），未燃气体温度（T），最大压力升高率(△P)和爆震强度是四个最重要的描述爆震行为的特性的参数。在未燃气体温度的计算中，末端气体压缩进程被认为是绝热的。爆震强度是利用高通滤波得到的压力震荡来表述的，如下：

1）放热率（HRR）^[17]

.………………..…………….(1.1)

2）未燃气体温度（T）^[18]

……………………..……………(1.2)

3）爆震强度（KI）^[19]

………………………………………(1.3)

基于燃料的低温和高温碳氢化合物氧化化学，一些重要的中间产物（CH、CHO、和OH）能够被用作不同燃烧阶段的标志。这个信息为理解爆震燃烧阶段提供了定量的温度和反应活性数据。Schiebl等^[20]通过激光诱发的荧光来研究在火花点火发动机中未燃末端燃气的空间产物分布和温度波动，并且他们证实自动点火热点在一些增温的局部性区域。另外，作者们将末端气体空间的甲醛（）浓度变化与温度变化相联系，并且发现均质末端气体内的温度波动会超过20 k。这也为末端气体在机器爆震之前存在温度分层提供了定量证据。

可以看出，国内外学者对双燃料发动机的燃烧以及爆震展开了长期的研究，但是对于不同初始条件下缸内燃烧以及对爆震强度的影响的研究还不充分。由于发动机台架试验耗费大量人力物力且无法深入认识其内在燃烧过程，而借助数值模拟研究方法可获取缸内燃烧过程等关键信息。所以本课题借助CONVERGE软件建立柴油-LNG双燃料发动机数值计算模型，研究不同初始条件对缸内燃烧过程以及爆震强度的影响。通过缸内物质场分析分析柴油、天然气着火与燃烧过程，阐述不同初始条件下对双燃料发动机爆震燃烧过程影响的内在原因。

第2章 数值模拟及模型验证

2.1 CONVERGE软件介绍

本文应用CONVERGE软件进行数值模拟计算，CONVERGE软件是一种三位流体计算软件，其由美国CSI公司研发，可自动生成三维立体网格，极大地简化了工作量。CONVERGE^TMCFD中自带一个化学反应的求解器SAGE。CONVERGE^TM中还包含燃烧模型和排放模型的子模型，并且有关于喷油模型和破碎模型的设置。

2.2 几何模型的建立

2.2.1发动机参数

本文用于数值模拟计算的发动机模型是以淄柴Z6170船用柴油机改装而成的双燃料发动机为原型，具体发动机参数如表2.1所示。

表2.1 发动机基本参数

2.2.2 燃烧室模型的建立

本文对模型简化以减少计算量，省略进排气道，将研究重点放在发动机进气门关到排气门开这一过程上。本文中所建立的发动机模型对应的进气门关闭角度为580 °CA，排气门开启角度为835 °CA，其中燃烧上止点为720 °CA。利用CONVERGE中的Crank angle-based模块，根据发动机燃烧室形状选择合适的模型生成燃烧室网格。因为发动机采用中心式多孔喷油器，且喷油器数量为5，可以选择建立1/5燃烧室模型进行数值模拟，这样既起到了简化模型，减少计算量的作用，同时也保证了计算精度。图2.1为不同角度下的燃烧室模型。

图 2.1 各位置燃烧室图

2.3 计算模型的建立

2.3.1 湍流模型

在内燃机工作循环中，准确地描述发动机工作时内部复杂的湍流运动对于发动机缸内模拟十分重要。

在中对于发动机所用的湍流模型有： 模型， 模型，模型等。其中，模型与模型很相似，但是相比于模型，模型精度更好，并且提高了涡流漩涡在这方面的精度，同时Standard 模型是一种高雷诺数的模型，而RNG模型提供了一个考虑低雷诺数流动粘性的解析公式。这些特点使RNG模型可信度和精度更高。因此本文中选用的是RNG模型。

2.3.2 喷雾模型

在发动机缸内，柴油由喷嘴喷射进入缸内，进而破裂成油滴，再破裂成小油滴 ^[21]。在大油滴破裂这一过程中，会出现很多物理现象，例如油滴的减速、液滴蒸发等。针对喷雾过程中一系列的物理现象，CONVERGE中进行了一系列喷雾设置来模拟喷油的过程。

在发动机中，喷出的油滴在油束喷雾锥空间中的分布呈现出均匀分布和靠中间比较集中的不均匀分布两种状态，此处选用的是油滴在喷雾锥空间中均匀分布。对于连续相中的湍流对油滴运动的影响，此处选用的是O’Rouke 模型。

油滴的蒸发是热量传递的过程，油滴通过吸收周围空气的热量提高自身温度，然后汽化成油蒸汽向周围气体扩散。CONVERGE中考虑油滴蒸发的蒸发模型有两种，分别是Frossling Model和Chiang Model，此处选用的是Frossling Model。

2.3.3 碰撞/破碎/曳力模型

在油滴破裂过程中，需要考虑到油滴之间的碰撞，此处选用的是NTC collision模型来考虑油滴间的碰撞。在定容喷雾中，气动阻力是必须考虑的，在CONVERGE中有不考虑气动阻力、理想球形阻力模型以及考虑油滴变形的阻力模型三种模型，此处选用的是考虑油滴变形的阻力模型。

燃油喷射进入缸内后，由于摩擦阻力和形状阻力会经历一次破碎和二次破碎形成更小的液滴。本文采用KH-RT模型，其实质上是将KH模型与RT模型相结合，其中KH模型主要用于描述一次破碎，RT模型主要描述二次破碎。

2.3.4 撞壁模型

在发动机中喷出的油束可能会喷到壁面上，在CONVERGE中描述碰到壁面后的行为有三种。在定容喷雾过程中由于空间较大，油束一般不会发生撞壁，但在缸内喷雾中，油束发生撞壁的可能性一般较大。本文采用飞溅模型。

2.4 反应机理

本文研究柴油引燃缸内预混天然气双燃料发动机，而柴油和天然气组分复杂，为简化研究，本文分别选用正庚烷和甲烷来替代柴油和天然气来作为替代燃料。由于甲烷是正庚烷燃烧过程中涉及到的重要组分之一，所以正庚烷的化学动力学机理也包含甲烷的动力学子机理。Xinlei Liu等人^[22]提出的柴油替代物化学反应机理可以较准确地预测双燃料着火延迟时间及层流燃烧火焰速度，本文采用该机理开展发动机的燃烧过程模拟研究。

2.5 模型验证

本文利用CONVERGE软件对柴油-LNG双燃料发动机进行替代率为62.5%、负荷为50%的工况点进行数值模拟，所得气缸平均压力与试验值对比如图2.2所示，所得放热率曲线与实验值对比如图2.3所示（图中燃烧上止点为720 °CA）。因为采用的是正庚烷与甲烷的简化反应机理，所以模拟所得的仿真值与试验值存在少许差异，对比该负荷下的缸内平均压力和放热率，可以发现仿真值与试验值整体趋势一致并且偏差较小，因此认为该发动机模型建立有效，可以进行下一步的发动机燃烧模拟研究。

图2.2 缸内平均压力对比图

图2.3 缸内放热率对比图

2.6 本章小结

本章介绍了进行数值模拟用到的CONVERGE软件和创建的基本模型，介绍了湍流、喷雾、碰撞模型及化学反应机理，提高对柴油-LNG双燃料发动机燃烧过程模拟的精度，并将模拟所得的仿真值与试验值相对比，模拟结果大体趋势一致，表明所创建的模型适用于接下来的双燃料发动机爆震燃烧过程模拟研究。

第3章 双燃料发动机爆震燃烧仿真分析

在柴油-LNG双燃料发动机中，缸内预混的天然气被压燃的柴油引燃，但是在柴油喷射之后，活塞到达上止点之前，部分末端混合气在高温高压的作用下发生自着火，导致发动机发生爆震现象，缸内出现较大的压力波动。本章通过CONVERGE软件进行仿真模拟，主要研究柴油-LNG双燃料发动机爆震现象的特点。

3.1 爆震燃烧宏观特征分析

本节通过分析双燃料发动机模型在爆震工况下的模拟结果，探索该发动机爆震燃烧过程的宏观特征，其爆震工况参数设置如表3.1所示。

表3.1 发动机爆震工况模拟参数

一般情况下，发动机试验会使用压力传感器来获取缸内某一点处的压力值，从而分析爆震的发生时刻和爆震强度。但是在数值模拟中，可以获取任意一处位置的缸压值及各处的组分浓度变化。本文选取了燃烧室中的9个位置作为监测点，选取的监测点位置如图3.1和图3.2所示。该工况下所得出的各监测点的压力波动经滤波后如图3.3所示，爆震时，缸内各处有明显的压力波动，但是可以从图中明显看出，各处的压力波动幅值具有差异，在壁面周围的监测点1、监测点6、监测点7、监测点8和监测点9的压力波动较大，而靠近喷嘴和缸内的监测点2、监测点3、监测点4和监测点5压力波动明显较小。造成这一现象的原因在于靠近缸壁处的体积比活塞凹坑处的体积要小，活塞上升和火焰面的压缩导致末端混合气的压力迅速升高，所以造成了压力波动明显的差异。从图3.2可以看出，在靠近气缸壁处的监测点区域的最大压力和最小压力相差超过20 MPa，且压力波动十分剧烈；而靠近活塞凹坑处和靠近喷油嘴处的监测点区域的最大压力和最小压力的差值小于4 MPa，此处的压力分布要均匀的多。

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