天然气/液体柴油喷雾直喷
概要：双燃料供给为压燃式发动机在替代燃料上提供了一种合适的方案。通过CFD组件Fluent模拟两种燃料在发动机缸内的同时直喷。最初使用喷射的高速可视化摄影来校准CFD模型。目前正在对相对喷射角度和喷射阶段进行模拟，并利用研究中的双燃料喷射的显著优点用以优化压燃式发动机双燃料喷射器的设计。对喷射期间燃料和气体混合均匀度的分析可以估算得出点火延迟时间从而确定最佳的喷射阶段。
介绍
用于内燃机的替代燃料，如天然气（天然气）液化石油气（LPG）和乙醇的研究进度可能将越来越快。双燃料理论给那些低十六烷值燃料用于压缩点火（CI，柴油机）型发动机提供可能。多数压燃式发动机转换已经将替代燃料和进气歧管中的空气进行预混合，同时确保了柴油喷射到气缸中。这个优点是容易契合实现，但是主要的缺点是较好的替代水平仅在中等负荷时候才可获得。这是因为在低负荷的时候，传统柴油喷射器仍然需要充分的燃油供给以保证机器有效运作，而在高负荷时候，延长的点火延迟和末端区域的混合燃料将会恶化柴油机燃烧和点燃式内燃机爆震。另外的缺点是进气中的空气的位移会降低任何给定燃料和空气的比值下的峰值能量，并且燃料会直接从进气口到出气口排出消耗，从而增加了UHC的排放。
解决的办法是直接将替代燃料和柴油燃料注入气缸。在此，末端区域的燃料被限制并且在替代之前注入，柴油机只有一个传统的点火延迟，这提高了高端性能。现代的超高压柴油喷射器具有良好的调节特性以及更好的可控性，因此在低端性能方面将会得到改进。在很多大型船用发动机或者较小的卡车发动机中存在很多系统，相对于后者，关键是需要生产一种组合喷射器来处理两种燃料，这两种燃料应该具有尽可能小的直径以便于更容易的安装。
本文详细的研究了这种组合式喷射器的喷雾特性，并对这种喷射器运用CFD进行建模。CFD可以量化那些难以通过实验评估的细节。不同喷嘴配置的混合优点，起始间隔和持续时间可以确定流量和最佳驱动
压力。
实验使用喷射两种流体及其后反应的高速可视化摄像，通过此实验进行验证计算结果。以下是从摄影设备得出的一些结论。
1数值方案
用作CFD工作基础的域名是基于新南威尔士大学的“快速压缩机”。快速压缩机是一个定容燃烧设备，实际上他是一个单行程发动机模拟器。它由一个平均6/7升的六缸柴油发动机的气缸和一个可以高速从最下端到最上端的活塞组成。当活塞到达TDC的时候，它停止并保持，双燃料喷射器点火并且发生恒定体积燃烧。立即记录喷射后燃烧室的压力和温度的情况，以便用于燃烧分析。
虽然大多数CFD工作的验证需要通过高速摄影来进行验证，但是双燃料注入的燃烧测试最终将会在快速压缩机中进行，因此快速压缩机的燃烧室被选择定为计算域。快速压缩机的简易燃烧室的孔径为108mm，高度为10-15mm，具体情况取决于所使用的压缩比。这里给出的结论的计算域是15mm的情况，相当于快速压缩机的最低压缩比约为14:1。
图1.本研究中使用的计算域
在这些实验中使用的柴油喷射器是具有6个等间距孔的小孔设计并且气体喷射器也已经被制作成具有6个孔洞。快速压缩机的气缸本身也是轴对称的。因此，当两个喷嘴被定向那么孔就是共面的，将燃烧室模型化为气缸的六分之一区域在计算上是有效的。
2柴油喷射模型
Fluent 6.1.18是本研究中使用的CFD代码。CFD允许使用“Plain Orifice Atomiser”模型对液体高速注入气体氛围进行建模。该模型可用于模拟柴油喷射器，该柴油喷射器基本是长而薄的孔，其将喷射器内的高压柴油燃料储存器连接到燃烧室中的压缩空气。在这种雾化器中，柴油通过喷嘴加速，形成射流，然后形成液滴。使用POA模型可以使柴油喷射以及随后的雾化进行建模，而无需创建复杂的网格几何形状。规定实际孔口的位置以及其面向的方向，然后输入特定于要建模喷嘴的参数。在这里建模的案例中使用的主要参数如下：
喷嘴直径：0.2mm
喷嘴长度：0.8mm
腔室温度：300K（环境条件）
质量流量：10.36g / s
喷射持续时间：425mu;s
图二Fluent的Plain Orifice Atomiser模型中使用的参数示意图
3柴油喷雾破碎和输送模型
本研究中使用的柴油喷嘴在非常高的压力下运行，其他研究人员也支持此观点，即现代的多孔囊状喷嘴通常在高压状态下运行。在本研究的实验室工作中使用的柴油喷射器来自共轨直喷系统。它有一个多孔迷你囊喷嘴，注射压力可设置为1800bar。为了在CFD中模拟该喷嘴，Fluent的POA模型入口半径r设定为25mu;m的值，这导致孔口高压。
Fluent提供两种喷雾分解模型：Taylor类比分解（TAB）模型和“波浪”模型。Reitz的波浪模型考虑了由液相和气相之间的相对速度引起的注入液滴的破碎。该模型广泛用于高速燃油喷射应用，因此本研究选择的模型也是如此。根据Ho天然气等的建议，校准常数B0和B1分别设定为0.61和0.20。一旦喷雾破碎成液滴，喷雾的渗透主要取决于液滴的空气动力学阻力。Fluent的动态拖动模型通过对环境条件线性改变球面与圆面之间的阻力来解释液滴变形的影响。
柴油和天然气喷射都在高压和高速下进行，因此喷射器具有很高的雷诺数。本研究选择了可实现的k-ε模型，根据Fluent的手册，它更准确地预测圆形射流的扩散速率。
4 天然气注入
由于天然气在注入期间或之后不改变它的状态，因此其引入的计算域是通过简单“质量流”入口。在Fluent中，这个入口的参数包括流体的实际质量流量以及流体的停滞温度。在此研究中，气体射流以4.43g/s的质量流量被阻塞，因此停滞温度设定为343K。
5 CFD模型的校准
CFD模型正在使用由第一作者设计和制造的实验室台架进行校准，该台架允许使用高速成像系统分析双燃料喷射器。这种“喷雾可视化装置”包括用于柴油和天然气的供应系统、一个双燃料喷射器原形和成像设备。
柴油机通过泵和蓄能装置供给双燃料喷射器，该装置基于取自商用车辆上的现代共轨直喷系统的部件。电动机用于驱动泵，并且在没有供体车辆的发动机管理系统情况下，针阀和脉冲发生器分别用于控制轨道压力和喷射正时。天然气通过调节器从气缸供应。
双燃料喷射器的柴油机部分由共轨直喷喷射器组成，该喷射器取自与柴油供应系统相同的车辆。本研究中使用的气体喷嘴与柴油喷嘴同轴配合，因为双燃料喷射器将安装在发动机中。（图3）。使用与气体供应的另一个改进的共轨直喷喷射器来实现对气流的控制，以充当高速阀。在设计气阀和喷嘴期间进行了大量的计算，以确保流动被阻隔，因此流速仅取决于时间。
图3. 双燃料喷油器组件。 共轨直喷柴油喷射器是垂直的并且适用于气体喷嘴。 第二共轨直喷喷射器（水平）控制气体流入气体喷嘴。
双燃料喷射器安装在有机玻璃盒上，可以拍摄喷雾照片。由于天然气喷射肉眼看不见，必须采用特殊的摄影技术来捕捉其图像。首先，使用图4所示的装置拍摄阴影图像。目前，这个阴影图像设备已经被条纹设备取代，它提供了更好的天然气喷射图像。
用于对比喷雾可视化装置和CFD结果的主要参数是喷射器在它们各自的喷射开始（SOI）之后给定时间的渗透和形状。同时柴油喷射的渗透取决于其喷射压力和随后的雾化情况，对于给定的喷射压力，喷射渗透用于验证CFD中的雾化量。
图4：双燃料喷射器安装在喷雾可视化装置上
6 结果
在CFD中建模情况是用于具有几个快速压缩机尺寸气缸的相同尺寸的发动机。假设该发动机以75%的天然气替代运行，总燃料/空气当量比为0.75（即接近柴油发动机的满载）。对于这些条件，双燃料喷射参数如下：
柴油开始/注射结束（S / EOI）：0ms，370mu;s
天然气 SOI / EOI：200mu;s，4,100mu;s
柴油喷嘴直径和质量流量：0.2mm，10.36g / s
天然气喷嘴直径和质量流量：0.4mm，4.43g/秒
柴油和气体喷嘴在水平面下方12.5°处彼此平行。柴油喷射发生在1600 bar ，这是在当前的共轨系统中发现的。气流模拟的是注射压力为160 bar 时出现的值，这是新南威尔士大学前任研究人员提出的值。图5显示了柴油SOI后100mu;s的颗粒分布。选择的视图是垂直穿过计算域中心以及气体和柴油喷嘴的二位切片。在该图中，颗粒的面积密度代表液体柴油在气缸中的该平面中的浓度。图6显示了来自实际柴油喷射的实验室装置同时（SOI后100mu;s） 纹影图像。在将CFD结果与图片进行对比时，可以看出两个喷射器之间渗透的良好相关性。同样，值得注意的是喷嘴附近的喷孔开始起霜。
这项研究的目标之一是找到两个燃料喷射器的最佳“角度“，以便柴油引燃器用来消除天然气的点火延迟。因此柴油应该在天然气 的SOI时点燃。由于Fluent可以模拟柴油的雾化和随后的蒸发，因此可以获得柴油蒸汽相对于已经在气缸中的空气的质量分数的图，如图7所示。这种蒸发模型的特征有助于预测柴油的点火延迟，从而对合适的时期做出良好的估计。过去的几位研究人员使用CFD里的非蒸发模型来模拟柴油喷射。Fluent中的蒸发模型的可用性是对这些模拟的明显改进。
图5. SOI后100mu;s的柴油颗粒图，由颗粒的速度着色，其中红色最快，蓝色最慢。
图6. SOI后100mu;s实际柴油喷射的纹影图像。注射压力为1,600bar。
图7.柴油蒸气质量分数的等高线图SOI后100mu;s的气缸。较浅的颜色代表更高浓度。
图8显示了天然气喷射器在其自身SOI（柴油机SOI后300mu;s）后100mu;s自身的纹影图像。 图9显示了此时仅柴油机箱中柴油蒸气的质量分数的轮廓。
图8. SOI后100mu;s的天然气的纹影图像。 注射压力为160bar。
图9.柴油SOI后300mu;s柴油质量分数轮廓图。
图10,11和12显示了柴油SOI后300mu;s捕获的双燃料情况的CFD结果。 图10显示了柴油蒸汽的轮廓，而图11显示了天然气。 图12显示了柴油和天然气的质量分数轮廓的叠加图。 在这一系列结果之后不久发生了柴油的EOI，而之后天然气喷射持续了几毫秒。
图10.柴油SOI后300us柴油质量分数和天然气 SOI后100mu;s轮廓图。 可以看到天然气注射的扭曲效应。
图11.柴油SOI后300us和天然气 SOI后100mu;s的天然气质量分数等高线图。 红色是高浓度，蓝色是低浓度。
图12.柴油SOI后300mu;s和天然气 SOI后100mu;s的天然气和柴油质量分数的叠加轮廓。 两种燃料的显著混合是显而易见的。
图13.柴油SOI后300mu;s和天然气 SOI后100mu;s实验室测试的纹影图像。 柴油和天然气喷射压力分别为1,600bar和160bar
在真实的发动机中，在这里研究的情况下使用的气体喷射持续时间（4.1ms）可能有点长（一个发动机冲程在2,000rpm，持续时间为15ms）。 在生产喷嘴时，使气体孔的直径为0.6mm而不是这里模拟的0.4mm会有一些好处。这里选择0.4mm喷嘴以实现实验室环境中气体的受控切换。通过使喷嘴直径仅为0.4mm，通过喷射器输送精确质量的气体所需的流动时间足够高以便精确地实现。话虽如此，对于某些应用来说，在发动机中实际上可能会有一个好处，就是注入的速度与此处建模的“慢”一样。 这种缓慢的喷射速率和随后的燃烧将有助于控制NOx排放，这通常是由于现代高压柴油喷射器的快速能量释放而发生的。
7 未来的工作
以前的研究[7]已经表明，柴油机的自燃发生在1和1.5的当量比之间的柴油蒸汽浓度带中。随后沿着混合物轮廓的火焰发展接近化学计量，然后从那里迅速发生。因此，点火延迟是雾化燃料蒸发的速度和形成有助于自燃的混合物浓度的体现。蒸发速率在很大程度上取决于喷射燃料的条件，特别是SOI时汽缸内的温度和压力。柴油燃料的十六烷值在冷启动条件和预热期间也起着重要作用。因此，天然气喷射的时机应根据发动机的运行条件而变化。 所开发的CFD模型能够在这些不同条件下进行快速且廉价的操作测试。数值模型的网格和时间步长独立性尚未在此阶段得到证实。目前正在进行此类研究可以以优化可用计算资源的方式研究具有不同喷射器取向和阶段的未来情况。
结论
创建并运行的CFD模型使得能够明白气缸内柴油，天然气和空气混合物的可燃性范围以及在该过程早期的这种潜在点火位置的数量。改变气体注入相对于柴油射流的取向和阶段，并评估结果以找到可以使双燃料注入的点火延迟最小化的情况。从那里，确定各种发动机工况的最终燃烧速率。 该数据用于找到制作双燃料喷射器的设计和开发的最佳参数。数值模拟允许定量分析，这是单独使用高速摄影无法实现的。然而，实验室图像用于在定性的基础上使用可以直接比较的参数来验证数值工作，如，喷射渗透和形状。实验室中的燃烧测试最终将使用快速压缩机进行。
参考文献
[1] Fluent 6.1.18用户指南，copy;Fluent Inc.，2003。
[2] Ho天然气，K.B.，热能工程系，Choo天然气Ju Universiy，Korea，Ryou，H.S.，Ko，G.H.和李，中央机械工程系大学，韩国，分裂时间常数的影响和高空数值模拟的空化建模压力柴油喷雾，ILASS亚洲#39;00，第5年度液体雾化和喷雾系统会议，2000年12月14日至15日，日本筑波。
[3] Kloeckner，S.，初步设计分析液压驱动的天然气喷射器，硕士论文，新南威尔士大学，2002年6月。
[4] Ko天然气，S.C.，Senecal，P.K.＆Reitz，R.D.，E天然气ine Research威
英语原文共 5 页
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
