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柴油的数值模拟
双燃料发动机缸内燃烧过程
摘要：出于经济原因和排放优势，可在双燃料发动机中使用诸如天然气的替代燃料。然而，在相对轻的负载和空转条件下的性能非常差，而在非常高的负载下，经常会遇到发动机爆震。在这项研究中，现在已经开发了三维双燃料缸内模型。这用于更好地理解由气态燃料和引燃燃料之间的相互作用，提前点火过程以及引燃燃料和气体在活塞运动期间的后续燃烧产生的运行特征。
关键词：双燃料发动机； 气体燃料； 交替燃料； 燃烧模型
一、介绍
多年来研究了在常规内燃机中有效利用替代燃料，尤其是天然气（NG）和液化石油气（LPG）。近来，空气污染问题和成本以及未来有限的液态石油基燃料资源的可利用性促使人们重新审查和进一步开发用于商业目的的天然气燃料汽车。现在，大部分工作都集中在运输引擎的应用程序上。全世界有大量的天然气可被用作发动机应用中的燃料[1]，这与石油不可避免的短期下降以及精制液体燃料的可用性受到限制形成了鲜明的对比。有迹象表明，随着石油储备的枯竭，石油价格将在十年左右的时间内上涨。因此，研究仍在继续。当前的动力归因于通过在某种程度上用替代燃料代替现有发动机中的液态烃燃料来减少空气污染的潜力。
近年来，通过实验和数字方式进行的研究增进了人们对一种燃气发动机即双燃料（DF）发动机的了解。这适用于其运行过程和燃烧过程。上述大部分工作直接在改装后的柴油机上进行，而某些则是通过使用恒定体积燃烧弹的实验对基本燃烧建模。相对于常规燃料发动机，对双燃料发动机燃烧过程的理解仍然不充分，因为燃烧往往是柴油和火花点火发动机中燃烧的复杂组合，同时遇到了两者的问题。需要进一步的发展，以使压缩点火双燃料发动机能够在其全速=负载范围内以更高的替代燃料替代率更有效地运转。为此，对双燃料发动机缸内燃烧过程的更深入的基本了解是有益的。
二、实验与建模
2.1交替燃料双燃料发动机
天然气和液化石油气是重要的替代燃料，可以立即使用。由于十六烷值非常低因此它们不直接适合于压缩点火（CI）发动机。因此，大多数发动机转换都是火花点火（SI）操作。在CI型发动机中使用NG很重要，双燃料发动机同时使用两种燃料，通过使用引入到进气歧管中的一次（替代）燃料以及将柴油燃料喷射到气缸中作为引燃器，克服了低十六烷值燃料的长点火延迟并维持燃烧。因此，它提供了在CI发动机中使用这些替代燃料的方法。
通常的转换过程中，将主燃料与进气歧管中的空气预混合，需要稀薄的混合气，不会因高压缩条件而发生意外点火。进行预混合时，许多主要燃料很可能像传统的SI发动机一样在燃烧的火焰中燃烧，尽管其点火方式有所不同，但有些燃料会夹带进入燃烧的柴油喷雾区。在火焰传播过程中，高辛烷值燃料和稀薄混合物对于防止压缩比高且气缸尺寸大的终端气体自动点火至关重要，像大多数柴油发动机一样。天然气和液化石油气在这方面都足够，但前者主要由甲烷组成，其研究辛烷值约为130，而后者主要是丙烷，其值约为110。因此天然气非常适合此类操作。在稀薄混合气中，即使在通常采用涡轮增压且压缩比为16：1或更高，缸径直径大于100mm的典型卡车柴油发动机中，其燃烧也可以在广泛的条件下实现无爆震。
与预混合类型相比，替代燃料与柴油或多或少同时注入气缸的系统要少得多。此外，这是更昂贵的选择，且需要高压气体，除非经过重新压缩，否则就难以使用来自压缩天然气罐的最终气体。其优点之一是，通过显着减少末端气体中的燃料来最大程度地减少一些燃烧问题。另一个是减少了某些研究人员指出的增加的点火延迟，该延迟会引起更明显的柴油爆震。同样，在气门重叠大的发动机中，断续的气流意味着预混合的燃料和空气可以直接流到排气口。对于气体喷射，消除了一些明显的未燃烧气体高排放。
在以预混合模式运行的CI发动机中，已经检查了许多主要替代燃料。如Bro和Pedersen [10]研究了DF发动机中的甲醇，乙醇，甲烷和氨。甲烷是天然气的主要成分，燃烧性能最好，更清洁，减少了发动机的排放和磨损。从经济角度看，基于等效热值，它大约是柴油成本的一半。因此天然气发动机的运行成本低廉，且寿命更长[11]。丙烷也很出色，但是发动机充分运转的替代水平大大低于NG。
总之，NG双燃料发动机的几个重要特征如下：
a.即使甲烷的SI型抗爆性优于大多数其他燃料，在高取代水平和满负荷下也可能发生终端气体自燃爆震。
b.在某些条件下，点火延迟似乎会增加，会导致CI型爆震。
c.有时发生低热效率，这部分与废气中未燃烧的气态燃料有关。
d.在低负荷或部分负荷运行时，效率损失最为明显。
预混合，压缩点火，双燃料发动机工艺的基本特征可总结如下：
a.在进气冲程期间，气态燃料通过进气口与空气一起被引入发动机气缸,然后在随后的压缩冲程中将其压缩。
b.在压缩冲程快要结束时，引燃柴油通过正常的燃油喷射系统引入发动机气缸，雾化并渗透到燃烧室中。
c.柴油在喷雾区中蒸发并与高温，高压均匀的气态燃料-空气混合物局部混合。
d.由于汽缸的温度和压力高于柴油燃料的点火点（大约650K），因此喷雾的早期部分在柴油喷射几度曲轴转角的延迟时间后会自燃。
e.这提供了在一个或多个点火点点燃气体燃料和空气混合物的必要能量。
f.随着柴油燃料的燃烧，空气混合物被带入喷射区域，在此燃烧。
g.来自燃烧区的火焰前沿通过空气混合物传播到喷雾区之外。
注意，柴油的输送量远低于普通柴油机。对于大多数传统的喷射系统，喷射压力在低输送量时下降，导致射流穿透力降低。
柴油燃料的点火延迟可能会因空气中存在的其他燃料种类而延长。柴油燃料一旦点燃，当地温度升高，因此未燃烧进料的压缩会缩短随后的柴油喷雾汽化部分的延迟。然后，它们像普通的柴油发动机一样，随着空气（或NG和空气）的夹带而在喷雾区域迅速燃烧。还缩短了仍在喷射的任何剩余液态柴油燃料的蒸发时间。继续喷射，直到所需量的柴油进入气缸为止。雾化，汽化，燃料-空气混合和燃烧持续进行，直到几乎所有柴油都通过了每个过程。
气体燃料和空气混合物无法在低于约1,000K的温度下通过压缩点燃，需燃烧引燃燃料才能点燃。如果空气混合物非常稀薄，则传播火焰在到达燃烧室的较冷部分时可能会完全或部分熄灭，从而降低效率，如果气体太浓，则随着气缸压力升高压缩末端气体可能会发生自发的末端气体自燃。这会引起SI型发动机的爆震问题。
可知，双燃料燃烧过程是不稳定且非均质的。该过程的详细信息取决于许多因素，包括：
a.柴油和气态燃料特性
b.燃烧室和燃油喷射系统设计
c.发动机工作条件
d.柴油喷射时间
e.阀门打开和关闭时间
尽管已经进行了许多研究以提供对这些现象的基本了解，但是仍然没有充分描述许多关键过程。进行本基础研究是为了提供一系列条件的此类数据。利用先前从定量燃烧弹试验获得的基本信息，它扩展了在这项研究中开发的现有三维代码，以包括一个活塞，该活塞遵循常规的发动机运动，在整个燃烧过程中压缩和膨胀气体。该模型不包括进气和排气交换过程，这些过程作为模型的输入进行处理。
2.2 DF发动机缸内燃烧模型说明
有几种计算机程序可以模拟内燃机中的缸内过程，在双燃料发动机中，压缩或膨胀过（取决于活塞运动的方向）与柴油燃料的喷射，蒸发和燃烧同时进行。在发动机仿真中，控制量是燃烧室域，它是汽缸盖，汽缸内壁和活塞之间的区域。它的下边界随着活塞的往复运动而移动，而所有其他部分保持固定。由于控制体积在不同的曲柄角处变化，必须考虑运动边界所完成的工作。
该程序中的实验以前使用的是设计用于柴油和双燃料实验的燃烧弹。恒定体积DF燃烧模拟模型最初是由Choi [7]开发的，后来由Mbarawa等验证。 [8]。在恒定容量炸弹中，通过DF燃烧实验对其进行了校准。最近，该代码适用于快速压缩机器中的DF燃烧，该机器也是恒定体积[9]。包括详细的改进。该定容DF燃烧模型得到了充分评估，为移动边界模型提供了可靠的基础。
在双燃料发动机中，压缩或膨胀过程（取决于活塞运动的方向）与柴油燃料的喷射，蒸发和燃烧同时进行。在发动机仿真中，控制量是燃烧室域，它是汽缸盖，汽缸内壁和活塞之间的区域。它的下边界随着活塞的往复运动而移动，而所有其他部分保持固定。由于控制体积在不同的曲柄角处变化，必须考虑运动边界所完成的工作。
图 1
2.3 D扩散模型
双燃料发动机的混合和燃烧过程由质量，焓和动量守恒方程的一般微分形式描述，使用圆柱坐标（r，h，z）和喷射刺激的湍流[13]。
2.4 缸内过程的数学描述
数学上，该模型是建立在求解流体流动守恒方程和许多物理子模型的基础上的，为了模拟活塞运动对缸内过程和各单元气体性质的影响，建立了压缩和膨胀子模型。假设压缩在z方向。如果对于网格，每个单元都有一个固定的z维，那么在每个不同的曲柄角处，将需要不同数量的单元来匹配燃烧室的每个当前高度。在压缩和膨胀过程中，细胞之间会有复杂的质量和热量流动。本研究采用了一种替代方法，即在z方向上固定数量的细胞，根据需要改变高度。假设每个电池中的气体是理想的，并且在每个时间步中，在恒定压力和体积下的比热是恒定的。每个单元独立地进行其可逆的绝热压缩或膨胀过程。
在该模型中，馏出物燃烧是天然气点火的能源。它本身也参与了主燃烧过程。双燃料环境下的馏出物燃烧与传统柴油机相似，只是周围空气中存在天然气。在双燃料发动机中，柴油喷射提供的能量在总能量输入中所占的比例相对较小，一个广义的描述模型就足够了在双燃料情况下，较低的柴油供给量有可能使该模型更加精确。修正了喷雾冲击室壁的标准计算方法，考虑了入射角的影响。最后，建立了双燃料燃烧过程的燃烧模型。这不是一个基本模型，因为这需要单独的项目。这是一个使用全球分离燃料方案的模型，是柴油对天然气组分刺激的经验函数，反之亦然。这种混合燃烧函数被称为“反应扩散因子”[9]。燃烧后，将燃烧产物计算为平衡值[22]，然后将放热率确定为燃烧产物和反应物之间的焓差。不包括生产模式。
虽然该模型也允许对注入的天然气进行模拟[7]，但此处仅检查预混情况。然后简单地用天然气的分压来描述天然气的数量。
图2
2.5 计算网格
当活塞接近并离开上止点位置时，模拟允许圆柱形燃烧室的下壁以与活塞速度相等的速度移动。这会因活塞曲柄机构的不同而有所不同。在每个曲柄角步进处，重新生成网格以反映燃烧室的当前高度。
2.6 代码结构
图1所示的流程图描述了程序的实现。程序从柴油喷射开始。首先，读取柴油喷射正时（例如，10 BTDC），然后读取气体燃料的特性、柴油喷射器参数和边界条件。然后，计算了燃烧室的高度以及此时气缸内的初始压力和温度。在这个曲柄角上的网格和每个单元中的初始值将相应地生成。通过这种方式，程序被初始化并准备好模拟柴油机喷射后的双燃料缸内过程。
2.7模型校准
在本研究中，以康明斯引擎为研究对象，以柴油或天然气为燃料，在双燃料模式下进行实验验证。将发动机耦合到弗劳德-康涅涡流测功机上，使用应变计称重传感器测量扭矩，使用磁感应传感器和60齿齿轮组件测量转速。将应变计放大器与应变计并联放置，将频率-电压电路与磁传感器串联放置。这使得发动机转速和扭矩显示在控制面板。在发动机试验过程中，采用了弗劳德Consine Texcel V4控制系统。在双燃料模式下，天然气通过一个调节器、两个手动控制针阀和一个电磁阀操作的安全阀从一个17兆帕的储罐供应。天然气从进气歧管进入进气流。
三、 结论与讨论
3.1 计算结果与柴油机试验结果的比较
在这个模拟中，计算可以持续到100 ATDC，但是通常在50 ATDC左右被缩减，因为燃烧基本上完成了，在压缩和点火延迟阶段，模拟曲线与实验结果吻合较好。平均值随曲轴转角变化的放热率曲线也很好地吻合，趋势也很好。最好的一致性是从TDC后10点开始，而柴油燃烧的早期阶段被三维模拟稍微低估了。在通过定容装置试验验证定容双燃料燃烧模型时，也显示出类似的趋势[9]，这很可能是由于在模拟中使用了简化的经验柴油喷雾模型。
3.2 模拟与双燃料发动机试验的比较
在压缩和点火延迟阶段，模拟曲线与实验结果吻合较好。点火延迟期过后，压力上升延迟导致双燃料燃烧。在延迟期结束时，模拟压力的上升略迟于实验压力，但达到的最大压力几乎相同。这支持了这样一个概念，即经验模型对于双燃料模型是足够的。在后期，模拟的双燃料燃烧与实验结果吻合很好，但由于压力上升开始较晚，压力发展仍略有减缓。从前面的讨论来看，后者可能是由于预测的预混柴油燃烧阶段较低，这本身是由于柴油喷射模型固有的简化所致。
在不同的发动机转速下对模型的性能进行了进一步的验证。实验与模拟之间的变化比低速时稍大，实验具有稍高的最大压力和双峰，第一个可能是未模拟的预混合阶段的一些燃烧。如果忽略这一点，则模拟的其余部分仍然良好。
3.3 模型验证实验的一些结论
本文所建立的模型对柴油机和双燃料发动机的缸内过程提供了令人满意的见解。通过将压缩膨胀过程与有限时间燃烧分离、传热传质以及使用基于经验的柴油喷雾模型，简化了模型。在中等转速和较高的发动机转速下，模拟和实验之间的一致性尤其接近。因此，在下一节中，该模型将用于研究难以通过实验确定的双燃料燃烧的细节。现在可以预测失火、爆震等异常燃烧现象。
3.4 气体燃料百分比的影响
在该模拟中，在保持总燃料能量不变的情况下，气体燃料量从零增加到逐渐替代引燃柴油。讨论了气体
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