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基于数值模拟研究气体组成对双燃料压缩点火发动机燃烧过程的影响

基于数值模拟研究气体组成对双燃料压缩点火发动机燃烧过程的影响

本文所述的模型具有某些限制。关键的限制是其不能预测将被柴油燃料燃烧的火焰的传播区域覆盖的气体和空气混合物的部分。这是重要的,因为它决定了参与反应的气体的量。通过使用尺寸模型和引入气体燃烧的更复杂的动力学机制,可以额外地改善结果的精度。因此,

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  • 详细描述

    基于数值模拟研究气体组成对双燃料压缩点火发动机燃烧过程的影响
    摘要
    本研究讨论了双燃料压缩点火发动机的运行模型,该发动机由具有初始剂量的柴油燃料作为点火抑制剂的气体燃料提供动力。该研究使用双燃料发动机的零维多相数学模型来模拟增强天然气(NG)与其他气体对燃烧过程的影响。该模型模拟双燃料(NG / Diesel),涡轮增压四缸CRDI(共轨直喷)发动机的气缸中的气体混合物的热力学参数。本文所讨论的测试是针对稳态发动机操作,气体燃料的部分负载和恒定消耗而进行的。在讨论的测试中,二氧化碳和高级烃(乙烷和丙烷)用作NG的添加剂。
    已经表明,气体组成的变化对双燃料发动机的燃烧过程和操作参数具有显着影响。气体添加剂的燃烧主要决定气体燃料的主要成分和柴油燃料的初始剂量的燃烧。向甲烷中添加更高级的碳氢化合物可以将发动机性能提高多达6%,同时添加更多的碳,达到总燃料体积的20%。此外,已经显示气体组成的变化显着影响初始柴油剂量的点火延迟。
    关键词:双燃料发动机,CNG,气体组成,模拟,零维模型,反应动力学
    目录
    摘要 1
    1. 前言 1
    1.1 本研究的动机 4
    2. 方法 5
    2.1 双燃料发动机数学模型用于研究 5
    2.2 研究方法 7
    3. 结果与讨论 9
    3.1 二氧化碳添加到气体燃料对燃烧过程的影响 9
    3.2 乙烷加入气态燃料对燃烧过程的影响 10
    3.3 丙烷添加到气态燃料对燃烧过程的影响 12
    3.4 添加C2H6和C3H8对气体燃料对燃烧过程的影响 13
    3.5 双燃料压缩点火发动机中的燃烧参数的比较分析 14
    4. 结论 16
     
     
    1. 前言
    由于化石燃料的枯竭以及环境和经济方面的原因,对气态燃料的需求的增加限定了内燃机的新要求。在内燃机中,特别重要的是多燃料压燃式发动机,其能够使用各种气体燃料,具有最小引燃剂量的柴油燃料作为点火抑制剂。
    许多作者已经对这种发动机的最佳构造参数进行了研究。Bora et al,Bora et al.(2014)调查了压缩比对使用生物沼气的双燃料发动机的性能端排放的影响。从基值16-18增加压缩比导致最大负载时的热效率提高3.5%。同时,随着NO x和CO 2的增加,观察到一氧化碳(减少26.2%)和总烃(42%)排放的减少。作者建议以最高可能的压缩比操作双燃料发动机,由气体燃料的爆震燃烧限制。
    双燃料系统需要特别仔细地选择发动机的调节特性,以确保气体混合物的正确燃烧。一些作者的研究表明,调节参数,如吸入的空气和气体的体积和温度是可取的。已经研究了加热混合物,即Motyl和Lisowski(2008)在调节参数中,双燃料发动机燃烧的关键影响是通过设置液体馏分喷射的参数来实现的。这里的关键方面是注入燃料量(Barik和Murugan,2014;Liu等人,2013;Papagiannakis等人,2007;Wierzbicki和Smieja,2014),燃料喷射提前角(Raj等人,2013;Ryu,2013;Roy等人,2014;Mikulski等人,2015a)和喷射液体燃料剂量的质量(Raj等人,2013;Ryu,2013)。2009年,Sahoo等人(2009)发表了一篇论文的关键评论,论述了发动机参数对双燃料柴油发动机性能的影响。这些参数的影响在文献中准确描述。该审查的一个关键结论是,对于贫气和空气混合物,气体燃料可仅在液体燃料燃烧的火焰传播区燃烧。对于柴油燃料的不良喷雾,传播区和不参与反应的气体的量可以达到50%。
    命名和单位:
    [X] 特定化合物的摩尔浓度[mol / m3]
    Ea 活化能[MJ / mol]
    H 热值[MJ / mol]
    N 摩尔数[mol]
    p 化学品引入燃料的功率[kW]
    P 缸内压力[bar]
    Q 能量[J]
    T 缸内压力[K]
    α 曲轴旋转角度[CA]
    Ф 空燃比[e]
    下标:
    air 空气
    d 柴油燃料
    g 气体燃料
    i 个别可燃气体组分(1e甲烷,2e乙烷,3e丙烷)
    SOC 燃烧开始
    随着气体燃料作用的增加,供应气体的组成成为燃烧过程的关键因素之一(Mikulski et al.,2015b)。组合物可以根据采矿地点或生产和纯化过程(在生物气的情况下)而变化(在天然气的情况下)。发动机越来越多地来自工业过程的废气,二氧化碳含量高。在2014年Kakaee et al.(2014)发表了关于气体组成对气体发动机燃烧过程的影响的技术论文的深入审查。讨论的大多数论文,认为火花点火HCCI系统。作为主要结论,气体组成的变化可显着影响整个发动机的运行及其排放。目前,气体混合物的特定可燃成分的燃烧机理是相对熟知的(Fomin et al.,2014;Fischer和Jiang,2014)。天然气主要可燃成分即甲烷的燃烧过程的基础研究证明(Pawlaczyk an Gosiewski,2009;Miyata et al.,2015)该过程非常复杂,包括一组总共132种中间化学物质反应,其速度通过单个试剂的浓度水平相互相关。
    然而,在双燃料发动机中,燃烧过程复杂得多。个别燃料馏分彼此之间有强烈的相互作用。该领域的可用研究表明,改变气体组成显着改变了液体燃料的燃烧过程。这种影响不能完全由不同的燃烧速率和不同的特定试剂的热值来解释。因此,柴油燃料的燃烧对气体的燃烧过程具有相当大的影响,反之亦然。已经发现混合物的温度和组成对燃烧的最大压力,压缩点火后的温度和压力生长速率及其延迟具有显着影响(Korakianitis et al.,2011)。已经表明,存在初始温度的限制,当超过时,消除了发动机工作的操作参数的变化。作者得出结论,燃料混合物的温度和组成可以用作双燃料发动机的调节参数。针对高瓦斯油替代水平的双燃料发动机,这最近已被Maizonnasse等人(2013)证实。
    另一项研究(Czerwinski和Comte,2001)研究了气体组成的快速变化对用天然气燃料的火花点火发动机的操作的影响,已经表明在这种情况下,发动机可能改变功率、效率和发射率。而且,很多气体的不可燃成分使发动机工作不均匀。如果在发动机中使用预喷射剂量,“气体燃料/柴油”比率越小,气体组成的变化的影响将是在火花点火发动机中观察到的影响。
    Lim et al.(2015)使用甲烷富集沼气混合物(81e97%CH4)为实际驾驶测试循环(ETC和NIER -6)中的CNG柴油城市公共汽车加油。该研究表明,甲烷浓度较低时排放量显着减少。此外,在任一测试循环中,在气体之间没有观察到燃料经济性的显着差异。Chandra等人(2011)获得了类似的结论,小型固定发动机从CI转换为SI模式,运行在富甲烷沼气。
    Mustafi et al.(2013)对不同生物气体的气体发动机进行了比较研究。在燃料之间的排放中观察到显着差异。Henham和Makkar(1998)检查了用不同质量的沼气加载的发动机性能。作者能够用低质量沼气仅用60%的柴油替代低浓度的CO2。该限制是由于爆震燃烧。用甲烷富集气体提供了气体柴油取代水平显著改进。
    Azimov et al.(2012)研究了氢气和二氧化碳添加对双燃料发动机运行的影响。使用了一个特殊的工作场所,使研究人员能够制备任何成分的燃料混合物。增加的氢量已经引起平均燃烧温度和效率的提高,而且NOx排放物的显着增加,并且缩短了点火延迟期。结果还显示,当气体中的CO2含量达到34%时,尽管燃烧的燃料质量分数增加,但最大压力升高的速率以及平均燃烧温度,热效率和NO x降低。这证实了巴里对于双燃料柴油发动机的早期实验结果(Bari,1996),他们观察到在沼气中存在高达40%的CO 2没有降低发动机性能。此外,向气体中添加O2将减少点火延迟,而CO将增强火焰速度。富氧空气对沼气双燃料发动机的性能的影响已经由Cacua等人(2012)进一步研究。结果表明,与大的CO 2浓度相关的性能缺陷效应可以通过少量添加的氧气而成功地限制。
    许多作品致力于研究使用不同的生物燃料作为液体引燃剂量对双燃料发动机操作的影响(Korakianitis等人,2011;Luijten和Kerkhof,2011;Banapurmath等人,2009;Mikulski等人,2016)。所有这些报道了液体燃料组成变化的燃烧过程持续时间显着不同。 Korakianitis等人(2011)研究了在使用油菜籽甲酯(RME)作为点燃低热量气体的引燃燃料的双燃料发动机中气体组成对燃烧过程的影响。使用这种燃料的发动机运行的参数可以通过加入少量的氢气得到显著改善。
    1.1 本研究的动机
    燃气发动机的研究清楚地表明,气体组成的变化对该装置的工作参数具有显著影响。双燃料发动机的电流控制系统解决方案不提供发动机控制算法中的气体组成。包括此参数可能会提高发动机的性能和耐用性,并减少排放。为了开发这样的算法,需要详细的(定性和定量的)具体部件对双燃料发动机中的燃烧过程的相互作用的描述。该领域中的当前技术水平看起来不足。其原因是不可能仅通过实验研究来开发对这种相互作用的连贯描述。这是由于可观察的过程是双燃料发动机的气缸中的柴油燃料和气体的联合燃烧的事实。由于关于气体燃料组成的影响的大多数最新工作是实验研究,对于不同种类的发动机,它们不解释问题的性质。针对发动机操作的宽范围参数验证的双燃料发动机的适当数学模型的引入可以是通过使得能够观察和分析燃烧室中的特定子过程来分析本文所讨论现象的方法。
    已经报道了使用不同方法和用于不同目的的双燃料NG /柴油燃烧的模拟。 研究工作包括详细的3D CFD模拟(Nieman等,2012;Puduppakkam等,2011)或更快的基于反应动力学的多区域模拟(Egüz等,2013a,2013b;Eichmeier等,2014)。主要工作包括PCCI或RCCI燃烧模式的模拟。尽管具有更长的历史的概念经典的双燃料压缩点火与后期喷射正时和非重叠柴油燃烧,仍然是相对未知的领域为基于模型的方法。此外,商业上可获得的发动机模拟包(Yang等人,2015)不反映这种发动机的气缸中的所有子过程,这使得它们不适合于所讨论的目的。非常长的计算时间是上述模型的另一个常见缺点,这限制了它们直接用于控制开发。
    在文献中的双燃料发动机模型中,Black Box型模型主导着人工神经网络(Roy等人,2014;Yang等人,2015;Yusaf等人,2010) GEP(基因表达编程)(Roy等,2015)。这些模型将其预测基于实验研究的大量基础上,基于发动机的具体操作参数之间的相关性。这些模型可能是开发控制算法(d'Ambrosio等,2014)的良好起点,但仅适用于已验证模型的发动机。这种模型不基于发动机中发生的现象的物理性质,因此不能帮助理解它们。几个可用的热力学模型(Alla等人,2001;Mansour等人,2001;Koszalka,2014)侧重于特定的子过程,可以用作完整模型中的子模型。然而,没有双燃料发动机循环的综合模型,其包括气缸中的所有过程,并且仅使用来自其技术文档的对象的基本数据来提供对介质的热力学参数的变化的足够精确的预测。已经提出了双燃料发动机的综合模型,即Papagiannakis等人(2007)。在可用模型中,只有少数经历了完整的实验验证,这进一步降低了它们的可靠性。
    为了补偿这些缺点,在尝试创建可用于控制开发以及提供对缸内过程的洞察的快速和可靠的双燃料燃烧模型的尝试中,作者提出了他们自己的方法。引入了具有Wiebe拟合作为柴油燃烧速率代表和描述气体燃料燃烧的单步宏反应动力学的零维单区域模型(Mikulski等人,2015c)。该模型进行了详细的多步验证过程,证明计算结果与用于估计发动机压力和性能值的实验数据的高一致性(Mikulski,2014)。
    尽管其相对简单和部分的现象学性质,该模型证明能够捕获液体燃料燃烧对气体燃料燃烧速率的相互影响的主要趋势,这提供了关于双燃料燃烧现象的有价值的见解(Mikulski et al.,2015a)。在本研究中,使用相同的模型来预测对甲烷增强对二氧化碳和更高气态烃对可燃发动机燃烧过程的影响的趋势分析。该研究的目标是有助于估计气体燃料组成对双燃料CI发动机的燃烧特性和性能的影响。
    2. 方法
    2.1 双燃料发动机数学模型用于研究
    在模拟试验中,我们使用由燃料与初始剂量的柴油燃料供应的双燃料发动机的工作循环的数学模型,包括压缩,燃烧和减压的阶段。有关对假设以及数值计算方法进行深入讨论的开发数学模型的详细描述,可以在作者的另一项研究中找到(Mikulski等,2015c)。下面提供的是模型关键要素的简明摘要。模型的设计结构如图1所示。


    4. 结论
    这项研究表明,只有二氧化碳含量高(高于80%),气体燃料中二氧化碳含量的增加才会影响燃烧过程。由于二氧化碳对初始剂量的柴油燃料的点火延迟的增加的相当大的影响,发生气体燃料的点燃的问题。具有低甲烷含量的低热值气体的燃烧是可能的,但是需要适当地控制柴油燃料燃烧过程。
    气态燃料中高级烃的存在改变了朝向TDC的最大热释放速率。这是由于乙烷和丙烷都比甲烷燃烧更快的事实造成的。类似地,两种燃料的点火在较低温度下更可靠。在添加的情况下,由于高级烃的先前燃烧导致的高瞬时热增量,甲烷的基本剂量也更快地点燃。这开辟了使用小量添加的高级烃来改善低热值气体的性能的可能性,特别是对于高发动机负荷。模型中的计算表明,含有高级烃的混合物的燃烧过程也更受控制。由于甲烷,乙烷和丙烷的不同燃烧点,总燃烧过程稍微延长。相同的点火点的不确定性允许我们得出结论,在这种情况下未燃烧CH4的体积可以显著减少,特别是在低浓度水平,这将对排放和发动机操作的经济方面具有积极影响。
    向气体中添加更高级的烃提高了发动机的性能。在这方面可以获得相当大的益处,即使在乙烷或丙烷的添加量很少(低于20%)时也是如此。此外,应用两种燃料的对称添加使得能够保持固定的点火点,而与添加的气体的体积无关。
    因此,研究已经证明,气体的组成对双燃料发动机的操作参数具有显着影响,特别是对于使柴油燃料的初始剂量最小化的尝试。为了最大化发动机性能,气体组成应当包括在控制算法中。为此目的,需要详细分析双燃料发动机中特定部件的燃烧过程的相互作用的影响。模拟测试在这方面提供了广泛的可能性。
    此外,如已经示出的,研究气体添加对用于各种发动机负荷的燃烧过程的影响可能是有趣的,特别是对于接近最大值的负荷。对于这些点,由于与空气相比在发动机气缸中的高浓度的燃料,添加的影响应该是最可见的。
    本文所述的模型具有某些限制。关键的限制是其不能预测将被柴油燃料燃烧的火焰的传播区域覆盖的气体和空气混合物的部分。这是重要的,因为它决定了参与反应的气体的量。通过使用尺寸模型和引入气体燃烧的更复杂的动力学机制,可以额外地改善结果的精度。因此,进一步开发仿真工具是合理的。
    参考文献
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