摘要
随着能源危机和环境污染问题的日趋严重，天然气因探明储量大、CO2排放低等优点受到广泛关注。柴油/天然气双燃料发动机由于其在热效率、低有害排放和燃烧可控性等方面的优势逐渐成为天然气发动机领域的研究热点。目前，柴油/天然气双燃料发动机在大负荷工况下的燃烧放热速率控制是热效率提升的关键。因此，开展柴油/天然气双燃料发动机燃烧机理研究，提出大负荷燃烧协同优化控制，对于开发高热效率、高可靠性柴油/天然气双燃料发动机有重要的工程意义。 本文首先利用CONVERGE搭建了天然气气道喷射双燃料发动机三维数值模型，在低速大负荷工况利用模型研究了压缩比对缸内燃烧过程和IMEP等的影响，并在此基础上探究了柴油单次喷射策略与两次喷射策略改善燃烧过程的潜力。结果表明：压缩比从16.8降低到14.8可有效降低最大压升率，IMEP有所下降但不大；基于压缩比14.8燃烧室，采用柴油单次喷射策略时，提高喷射压力可有效改善高天然气替代比例条件下的指示热效率，对喷射压力和喷射时刻的协同控制可实现85%的天然气替代比例和48.1%的指示热效率；两次喷射策略能提高对燃烧过程的控制性，可将天然气替代比例提高到90%，对预喷时刻和预喷比例的协同控制可将指示热效率提高到48.4%。 基于标定模型进一步搭建了天然气缸内直喷双燃料发动机模型，利用模型研究了天然气后喷喷射策略（先喷柴油引燃+后喷天然气）、天然气部分预喷喷射策略（先喷部分天然气预混+柴油中间喷射引燃+后喷天然气）改善燃烧过程的潜力，并对四种喷射策略进行了混合气分布特性分析。结果表明：当天然气后喷喷射策略的柴油与天然气喷射时刻相距较近或者较远时，均会提高最大压升率，对喷射时刻和天然气喷射压力的协同控制可实现48.15%的指示热效率；采用天然气部分预喷喷射策略时，推迟天然气预喷时刻和提高天燃气预喷比例均会提高最大压升率，对天然气预喷时刻、预喷比例和天然气后喷时刻的协同控制可实现49.38%的指示热效率；柴油两次喷射策略相比单次喷射策略提高了主喷时刻的混合气分层度，进而提高了对燃烧过程的控制性；天然气后喷喷射策略的混合气分层度过高，影响了天然气与空气的混合速率，指示热效率的改善受限；天然气部分预喷喷射策略的混合气分层度在柴油单次喷射策略、两次喷射策略与天然气后喷喷射策略之间，有利于提高指示热效率和降低最大压升率。 综上，通过控制天然气与柴油的喷射方式来控制混合气浓度和活性分层，可有效控制燃烧放热速率，进而在抑制压升率和爆压的同时改善热效率。
NETL