柴油-LNG双燃料发动机燃烧过程模拟研究开题报告

 2020-02-20 09:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

近年来,内燃机在各个领域都承担着重要的作用,随着人类对内燃机提出的要求越来越高,内燃机的发展受到了极大的促进,出现了各种类型的发动机,例如柴油机、汽油机和天然气发动机等。

石油是内燃机燃料的主要来源,随着人们对发动机的使用越来越多,石油的消耗量日益增加,随着人类无节制的开采和使用,石油能源危机和环境恶化问题已经不容忽视。因此寻找石油的替代燃料的脚步一直没有停歇,其中被广泛关注和研究的替代燃料主要有液化石油气、压缩天然气、甲醇、乙醇和氢气等[1]。其中天然气具有储量大、热效率高、燃烧清洁等一系列的良好性质。

以天然气为主要燃料的发动机主要有纯天然气发动机和柴油引燃天然气双燃料发动机[2]。纯天然气发动机有火花点火和压燃式两种,相比于电火花点燃发动机,双燃料发动机具有更好的能源效率和功率输出,而相比于压燃式发动机而言,它技术简单、成本较低。与普通柴油机相比,柴油-LNG双燃料发动机二氧化碳排放量可减少18%-20%,氮氧化物、硫氧化物减少均达到90%,颗粒排放物基本为零,运行成本减少30%左右。根据实际装船使用的柴油-LNG双燃料发动机在运行中数据分析,LNG燃料替代柴油燃料平均替代率最高可达60%-70%,能很好的缓解当今石油资源短缺的问题。

不过,虽然双燃料发动机有很多的优点,但是仍然存在一些问题,例如当发动机负荷过大或者冷却水循环不良时,会导致机体温度过高,这种情况下发动机容易发生爆震,双燃料发动机的爆震问题,一直以来都是双燃料发动机的研究热点之一。

浙江大学的严兆大等人[3]通过建立燃烧模型初步揭示了双燃料发动机爆震和工质能量释放之间的关系,并从热力学角度和化学反应动力学角度对模型作了较为详细的论述,并得出爆震主要取决于混合气浓度,并且在较高的近期预热温度下,即使混合气浓度稍低,也可能导致爆震。

吉林大学的高青等人[4-6]研究了柴油/天然气双燃料发动机的复合燃烧规律,得出了燃料的着火滞后、燃烧速率慢是引发爆震的原因。高负荷下发动机易发生爆震,此时应当采取抑制爆震的措施,如降低混合气的浓度、增大引燃柴油量、降低进气温度、减小供油提前脚等。实验表明,若高浓度混合气长时间存在于高温高压环境中,混合气可能会发生自燃,导致爆震的发生。

Crookes RJ等人[7]通过研究认为高负荷爆震主要是起因于天然气,换言之,天然气被柴油引燃后,天然气和空气的混合气燃烧速率过快导致了爆震的发生。

吉林大学的李晓晓[8]运用CONVERGE软件,以天然气喷射时刻、引燃柴油量和缸内初始温度为参量,研究了柴油引燃缸内直喷天然气发动机的爆震规律。认为发动机爆震是由于预混合燃烧阶段的燃烧速率过快从而导致燃烧释放的能量增加而引起的,并且在柴油引燃缸内直喷天然气发动机中,爆震强度的大小与滞燃期长短没有直接关系。

浙江海洋大学的张恒[9]通过将以柴油机为原型,在进气道加装天热气供气装置从而改装而得的双燃料发动机建立了仿真模型,并运用CONVERGE软件以天然气进气量、引燃柴油量、引燃柴油喷射时刻、燃烧室初始温度和发动机转速为变量对发动机进行了仿真模拟。得出发动机爆震燃烧受天然气进气量影响明显,天然气进气量越大,发动机爆震强度越大,爆震时间也越长。发动机爆震受引燃柴油量影响,引燃柴油越大,则发动机爆震强度越大,爆震时间长度也越长。引燃柴油喷射时刻越早,爆震强度越大。燃烧室初始温度越高,发动机爆震强度越大,同时爆震时间也越长。发动机转速越大,发动机爆震强度也增大,爆震时间长。

爆震是发动机非正常燃烧的一种,爆震现象对发动机伤害很大,爆震会引起发动机高频率振动,当缸内压力波动损坏活塞和气缸上的热边界层时还会损坏发动机结构[10],而燃烧室内则会出现高温和大的压力升高率,燃烧室内各部分的机械负荷比正常工况都要大得多。为了有效抑制爆震的发生,首先需要对爆震预测特性进行研究。目前研究中爆震检测方法有以下几种:通过缸体振动检测爆震[11],如Olivier Grondin等人通过振动传感器提取缸体振动信号,通过分析该振动信号来检测爆震的发生时刻及特点[12-13];通过缸内压力检测爆震,如Mats Jargensted 通过缸压传感器检测缸内压力信号,通过处理分析该信号得到爆震发生的时刻及强度特征[14];通过燃烧噪声,如Olivier Boubal 通过宽带声学传感器测量爆震是燃烧声波来检测爆震[15];燃烧光强测量,通过光纤传感器得到燃烧时压力和光强信号[16];还有通过电力电流信号检测爆震的方法[17-18]

放热率(HRR),未燃气体温度(Tunburned),最大压力升高率(△P)和爆震强度是四个最重要的描述爆震行为的特性的参数。放热率是通过热力学第一定律计算的。在未燃气体温度的计算中,末端气体压缩进程被认为是绝热的。爆震强度是利用高通滤波得到的压力震荡来表述的,如下:

1)放热率(HRR)[19]

2)未燃气体温度(Tunburned[20]

3)爆震强度(KI[21]

可以看出,国内外学者对双燃料发动机的燃烧以及爆震展开了长期的研究,但是对于不同初始条件下缸内燃烧以及对爆震强度的影响的研究还不充分。由于发动机台架试验耗费大量人力物力且无法深入认识其内在燃烧过程,而借助数值模拟研究方法可获取缸内燃烧过程等关键信息。所以本课题借助CONVERGE软件建立柴油-LNG双燃料发动机数值计算模型,研究不同初始条件(进气压力、当量比和柴油喷射量)对缸内燃烧过程以及爆震强度的影响。通过缸内物质场分析分析柴油、天然气着火与燃烧过程,阐述不同初始条件下对双燃料发动机爆震燃烧过程影响的内在原因。


2. 研究的基本内容与方案

2、研究(设计)的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

本课题借助CONVERGE软件,以某发动机为原型,建立柴油-LNG双燃料发动机数值计算模型,然后进行仿真计算,再利用Ensight软件对结果进行后处理,研究不同初始条件(进气压力、当量比和柴油喷射量)对缸内燃烧过程以及爆震强度的影响。通过缸内物质场分析分析柴油、天然气着火与燃烧过程,阐述不同初始条件下对双燃料发动机爆震燃烧过程影响的内在原因。

研究本课题的第一步应建立仿真模型。因为本文主要对发动机的爆震燃烧特性研究,而进气冲程和排气冲程对所做研究影响甚小,所以仅需对压缩冲程和做功冲程进行仿真模拟。为节省计算资源和计算时间,可以建立六分之一燃烧室模型,然后给出需要设置的初始条件,如转速、缸内初始流动状态、缸内初始温度和压力等。然后设置边界条件,如速度和温度的设定。对于爆震的判定有很多种方法,基本是基于对爆震发生的压力震荡信号检测、测量燃烧室噪声、测量机体振动频率和测量气缸压力等为基本的爆震检测方法。此外还有高速摄影法和火焰温度发等。因为利用缸内压力的波动来判定爆震的发生准确度和可信度相对较高,所以可以选择压力震荡信号检测的方法。在发动机中选取多个监测点,然后通过将发动机内监测点压力随曲轴转角变化的曲线转化为压力升高曲线,再对监测点进行变化率计算,以压力升高率超过0.4-0.6MPa/Deg界限值来定量判定爆震的发生。

第二步为了保证仿真结果的准确可靠性,要进行模型的有效性的验证。通过选取与试验情况下相同的工况,将三维CFD软件CONVERGE计算的缸内平均压力曲线和监测点压力波动曲线与原型机试验结果进行对比,当所做仿真与试验结果一致时(缸内平均值最大误差不超过5%,监测点平均压力值最大误差不超过7%),说明仿真结果具有较好的准确性,可以进行下一步的模拟计算。

第三步是在建立好的仿真模型上改变不同的初始条件,来研究边界条件或工作参数对双燃料发动机的燃烧过程及爆震强度(爆震发生位置)的影响。本课题主要是改变进气压力、当量比和柴油喷射量的初始条件来探究对缸内燃烧过程及爆震强度的影响。当然,如果时间富裕的情况下,我还想探究引燃柴油喷射时刻、初始温度和发动机转速的影响。

整体技术路线如图1所示:

图1 技术路线图


3. 研究计划与安排

3、进度安排

第1周:

查阅文献,翻译外文文献,并上交翻译材料;

第2-3周:

查阅文献,了解国内外对于柴油-LNG双燃料发动机模拟研究的现状,特别是对于双燃料发动机爆震的研究,完成开题报告和PPT,并进行开题报告的汇报

第4-5周:

熟悉CONVERGE软件,并建立柴油-LNG双燃料发动机数值计算模型。

第6周:

模拟缸内燃烧过程,并进行模型有效性验证及微调,使模型与试验结果一致;

第7-8周:

改变初始条件,探究不同初始条件对于双燃料发动机燃烧过程和爆震强度的影响;

第9周:

对研究结果进行总结归纳,整理研究内容;

第10周:

完成大论文撰写;

第11周:

完成小论文的撰写并投稿;

第12周:

修改提交论文。


4. 参考文献(12篇以上)

4、参考文献

[1] 尹佳.柴油/天然气双燃料发动机性能模拟研究[D].哈尔滨工程大学,2010.

[2] 袁江帆,胡以怀,蒋更红,等.船用LNG双燃料发动机的技术发展及应用现状[J].造船技术,2017(01):1-5.

[3] 严兆大,俞小莉,费少梅,胡章其,沈宏泉,沈瑜铭.压燃式双燃料发动机爆震的模拟[J].浙江大学学报(工学版),1993(4):456-464.

[4] 高青,田文凯.双燃料发动机燃烧经济性和稳定性研究[J].农业机械学报,2003,31(6):1-3.

[5] 高青,李虎,田文凯张纪鹏,孙志军.柴油引燃天然气双燃料燃烧稳定性研究[J].兵工学报,2001,22(3):404-406.

[6] 高青,金英爱,孙志军,孙济美.内燃机爆震燃烧探测及其临界爆震判断[J].燃烧科学与技术,2002,8(4):381-383.

[7] Crookes RJ,KorakianitisT,Namasivayam A M. A systematic experimental assessment of the use ofrapeseed methyl ester (RME) as a compression ignition engine fuel duringconventional and dual-fuel operation[C]//TAE 7th InternationalColloquium on Fuels.Stuttgart.2009.

[8] 李晓晓.柴油引燃缸内直喷天然气发动机爆震燃烧过程的仿真研究[D].吉林大学.2015.

[9] 张恒.预混天然气双燃料发动机爆震燃烧特性仿真研究[D].浙江海洋大学.2017.

[10] Stone,R. 1999.Introduction to Internal Combustion Engines. 3rd Ed. Society of AutomotiveEngineers. Warrendale, PA. ISBN:0768004950.

[11] F. Millo and C. V.Ferraro. Knock in S.I. Engines: A Comparision between Different Techniquesfor Detection and Control. SAE Paper 982477, 1998.

[12]SonkeCarstens-Behrens, Michael WagneU Johann I.Bohme. Improved knockdetection by time variant filtered structure-borne sound[J]. IEEE,1999:2255-2258.

[13] 王宇鹏. 爆震反馈控制汽油机点火ECU技术研究[D]. 石家庄:河北工业大学,2007.

[14] Mats Jargenstedt.Detecting start of combustion using knock sensor signals[J]. Studio condottopresso I'universita di Linkoping, 2000(130):48-54.

[15] 李继军,陈宝书,武得钰等. 汽油机爆震自动控制系统研究[J]. 系统工程理论与实践. 2000(6): 115-117.

[16] 岑可法,姚强,骆仲泱等. 高等燃烧学[M]. 浙江:浙江大学出版社,2000:32-112.

[17] 彭生辉. 内燃机爆震与爆震传感器的性能研究[D]. 合肥:合肥工业大学, 2005.

[18] 张翠平. 电控汽油机燃油喷射及点火控制系统的设计与实验研究[D]. 太原:太原理工大学,2007.

[19] Heywood J. Internalcombustion engine fundamentals. New York: McGraw-Hill Education; 1998.

[20] He X, Donovan MT,Zigler BT, Palmer TR, Walton SM, Wooldridge MS, et al. An experimental andmodeling study of iso-octane ignition delay times under homogeneous chargecompression ignition conditions. Combust Flame 2005;142:266–75.

[21] Amann M, Alger T.Lubricant reactivity effects on gasoline spark ignition engine knock. SAE IntJ Fuels Lubr 2012;5:760–71.


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