定容燃烧弹内柴油-LNG双燃料喷射着火特性研究开题报告

1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

近年来，科技不断进步，石油资源需求量节节攀升。柴油作为一种主要石油能源，其需求量也随之不断增长，而能源不断消耗的同时，环境污染不断加剧将会是我们当前世界需要面临的首要难题。

柴油机尾气排放污染严重阻碍着柴油机的发展。据统计，2013年为止，中国各类汽车保有量已经超过了1.37亿辆，而柴油占总数里面的55%，在机动车排放污染物中，有80%的颗粒物来源于柴油机。因此，改善柴油机污染刻不容缓。

目前，解决柴油机污染问题的热门方法是使用替代燃料，包括生物质燃料，LPG和天然气等。其中天然气具有清洁环保的优势，已经成为发动机替代燃料研究的宠儿。

甲烷是天然气的主要成分，通常占90%以上，因此其理化性质十分接近甲烷。与其他化学燃料相比，他具有以下优点：(1)燃烧清洁，碳烟排放低；(2)具有较高辛烷值，能在高压缩比条件下工作，抗爆性较高；(3)天然气射流发展速度快，射流的贯穿距与锥角的增加，有利于缸内气流的混合；(4)天然气具有更宽的稀燃边界，可实现稀薄燃烧。天然气燃料如何保证柴油机能高效运行成为焦点问题，至此双燃料供给为压燃式发动机在替代燃料上提供了一种解决方案^[1]，因而研究柴油-LNG双燃料发动机为车用替代燃料的研究和发展具有重要的现实意义。

天然气发动机有很多应用形式，可按不同应用形式，如燃料，进气方式等等分成很多种类，见表1

表1 天然气发动机的分类

尽管天然气是一种清洁高效的代用燃料，但是依然需要引入一些新的燃烧技术，来充分发挥其清洁燃烧的优势。目前，缸内高压直喷天然气柴油微引燃技术是当前提升天然气发动机的动力性能，经济性能与排放性能最理想的技术，对缸内高压直喷天然气/柴油发动机而言，其内部燃料的喷射雾化、与空气混合情况等对发动机内部燃烧以及排放具有重要意义。

近年来，国内外已经天然气/柴油双燃料缸内射流发展过程进行了部分研究。1994年，Abraham等^[2]人开展了高压直喷气体的射流实验研究，他通过研究气液两种射流，发现得益于液体射流的高动量，其与空气动量交换速度更快，因此液体射流比气体射流更加易于和环境气体混合。并于1996年，他总结计算了气体入口速度与气体射流贯穿距之间的经验公式 ^[3] 。1997年，他通过CFD模拟计算，认为气体射流可使用尺度低于气体喷孔直径的计算网格。

2000年，P. Ouellette[4]等人基于k-ε湍流模型，利用数值模拟研究了缸内湍流，喷射持续时间以及壁面等因素对天然气射流的速度场和贯穿距的影响。

2006年，Timothy White[5]利用纹影仪法，背影法和数值计算方法研究了天然气/柴油双燃料射流的发展，他通过设计不同的双燃料喷射器结构，分析不同天然气，柴油喷射位置，喷射夹角距离等因素对射流的影响。

2008年，Xu Cheng^[6]等人在背压为4Mpa，环境温度为850K条件下研究了不同气体射流压力对喷孔内部的流动状态的影响，他通过研究得出结论喷孔出口速度大于入口速度，而喷孔出口压力和入口温度则低于入口。

2009年，Taib Mohamad ^[7]等人提出，由于天然气无色无味，可将天然气射流导入水中，从而拍摄天然气发展过程，作者将火花塞改装成了直喷天然气喷射器，喷射压力在4-6MPa之间，天然气射流的涡旋结构与天然气射流球形射流模型十分吻合。

2012年，Yu Jingzhou^[8]等人利用平面激光诱导荧光测试技术研究了喷射压力与缸内背压不同比值下天然气撞击平面的射流结构变化以及射流与周围空气的相互作用，他通过研究发现平面撞击有利于气体射流与环境气体的混合，为气体机分层燃烧技术开展提供了技术基础。

2013年，Yu Liu^[9]等人利用纹影仪，定容弹等实验设备，研究了天然气喷射压力、背压，以环境因素对天然气射流发展，天然气点过成功率，天然气火焰生长速度的影响.

2013年，Iman Chitsaz^[10]等人利用纹影仪以及数值模拟，研究单燃料压缩天然气射流的发展过程，研究发现较高的喷射压力与背压比值以及更大天然气喷孔孔径会导致射流贯穿距增加，但射流初始阶段不受影响。

2015年，国内江苏大学张州榕^[11]等人利用纹影仪开展了天然气单燃料射流特性研究，同时针对天然气/柴油双燃料同轴喷射器的喷孔几何位置因素开展了数值模拟研究。

从已有文献可以看到，国内外对天然气/柴油双燃料高压直喷的喷射着火特性的研究还较少，而背压、缸内温度、双燃料喷射器喷孔间距等因素对喷雾和着火特性起着至关重要的影响。因此，本课题将基于CONVERGE软件探究双燃料的喷射参数和弹体内环境参数对燃料喷射着火特性的影响。

本课题以天然气/柴油双燃料高压直喷发动机作为研究对象，基于三维CFD软件CONVERGE，建立定容燃烧弹的仿真模型，模拟柴油-LNG双燃料的喷射着火过程，研究在不同环境参数以及不同喷射参数对发动机喷射特性和着火特性的影响。

研究本课题第一步应建立仿真模型。建立仿真模型应首先利用三维CFD模拟软件CONVERGE构建定容燃烧弹三维模型。随后所得到的模型进行边界划分，同时分析并选择合适的子模型，包括：燃油物性、机理文件、喷嘴针阀喷射设定。

第二步在建立好的仿真模型上研究喷射参数和环境参数对发动机喷射特性和着火特性的影响。研究不同喷射参数和环境参数条件下的双燃料的喷射着火特性，包括：背压、缸内温度、双燃料喷射器喷孔间距等因素。通过单因素变量法，保证每次一个变量，改变其他变量，然后得出结论。同时应对

产生该种结果，进行分析论证，确保数据真实可靠。

技术路线图

[1]. White T R,Milton B E, Behnia M. Direct injection of natural gas/liquid diesel fuelsprays[C]//Proceedings of the 15th Australasian Fluid Mechanics Conference.Sydney, Australia: The University of Sydney. 2004, 1317.

[2]. Abraham J,Magi V, Macinnes J, et al. Gas versus spray injection: which mixes faster？[J]. SAEtransactions, 1994: 1367-1381.

[3]. Abraham J.Entrapment characteristics of transient gas jets[J]. Numerical Heat Transfer,Part A Applications, 1996, 30(4): 347-364.

[4]. Ouellette P,Hill P G. Turbulent transient gas injections[J]. Journal of fluidsengineering, 2000, 122(4): 743-752.

[5]. White T R.Simultaneous diesel and natural gas injection for dual-fuellingcompression-ignition engines[M]. University of New South Wales, 2006.

[6]. Cheng Jr X.Modeling injection and ignition in direct injection natural gas engines[D]. ,2008.

[7]. Mohamad T I, Geok H H. Visualization of gas jet in water: Anew approach for gaseous fuel injection measurement[C]//Proceedings of theInternational MultiConference of Engineers and Computer Scientists. 2009, 1.

[8]. Yu J, VuorinenV, Hillamo H, et al. An experimental investigation on the flow structure andmixture formation of low pressure ratio wall-impinging jets by a natural gasinjector[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2012, 9: 1-10.

[9]. Liu Y, Yeom J,Chung S. A study of spray development and combustion propagation processes ofspark-ignited direct injection (SIDI) compressed natural gas (CNG)[J].Mathematical and computer modelling, 2013, 57(1-2): 228-244.

[10].Chitsaz I, Saidi M H, Mozafari A A, et al. Experimental andnumerical investigation on the jet characteristics of spark ignition directinjection gaseous injector[J]. Applied energy, 2013, 105: 8-16.

[11].张州榕, 王谦, 何志霞, 等. 缸内高压直喷柴油/天然气喷射混合过程分析[J]. 工程热物理学报, 2015 (10):2262-2266.