CN108798914A - 一种双燃料发动机额定工况NOx排放及爆震燃烧控制策略 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双燃料发动机额定工况NO X 排放及爆震燃烧控制策略，其特征在于：由理论设计和CFD数值模拟组成，理论设计包括燃烧模式与喷射系统的选取、燃料喷射方案的确定；CFD数值模拟建立柴油/天然气双燃料发动机燃烧室模型，验证模型准确性并进行相应调整后，针对不同设计方案进行缸内燃烧的数值模拟，并根据数值模拟结果，分析不同喷射方案的缸内燃烧以及排放特性，并与燃烧理论的定性分析结果进行对比验证；从缸内燃烧温度、压力以及NO X 量的变化对NO X 排放以及爆震燃烧控制策略的效果进行验证，并得出一般性的结论；采用理论设计与CFD数值模拟相结合的方法，不仅保证设计方案的正确性，还能保证设计方案的合理性和良好的控制效果。
Description
技术领域
双燃料发动机尾气排放控制研究领域，尤其涉及一种双燃料发动机额定工况NO X 排放及爆震燃烧控制策略。
背景技术
现代内燃机需要满足严格的排放标准与良好的燃烧性能，前者主要包括氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）、碳氢化物（HC）、碳氧化物（CO）等，后者主要一项是避免爆震燃烧，以防对发动机活塞及汽缸盖等结构造成损坏。良好的燃料喷射策略是降低排放物与避免爆震燃烧的关键。本专利针对一种6L型柴油/天然气双燃料发动机额定工况下氮氧化物（NOx）的排放以及爆震燃烧，提供理论设计与CFD数值模拟相结合的方法进行控制策略的设计，两者分析结果可以相互验证，并对NOx排放以及爆震燃烧控制策略的效果进行评估，得出一般性的结论。对于研究双燃料发动机额定工况NO X 排放及爆震燃烧控制策略的制定具有深远意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种双燃料发动机额定工况NO X 排放及爆震燃烧控制策略，采用理论设计与CFD数值模拟相结合的方法进行方案设计，两者的结果可以相互验证，且对NO X 的排放以及爆震燃烧控制策略的效果进行评估，并得出一般性的结论。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种双燃料发动机额定工况NO X 排放及爆震燃烧控制策略，其创新点在于：在额定工况下，采用油气共用喷射器，根据柴油与天然气不同的燃烧特性，采用理论设计与CFD数值模拟相结合的方法对排放控制策略进行设计，两者的结果可以相互验证，且对排放控制策略的效果进行评估，并得出一般性的结论；具体控制策略如下：
S1：燃烧方式的确定：针对双燃料发动机的额定工况，为了满足天然气与柴油的相互耦合，实现缸内混合气浓度与燃料成分的可控分层分布，兼具扩散燃烧与均质火焰传播，采用分层压燃模式；
S2：喷射方案的确定：采用的油气共用喷射器，分别连接到供油管路以及供气管路，所能提供的柴油喷射压力为80~140MPa,天然气喷射压力为12~16MPa；油气共用喷射器连接到双燃料ECU上；相应的燃料喷射方案为柴油单次喷射，天然气采用少量第一次喷射与多量第二次喷射策略，且均采用缸内高压直喷的方式；
S3：相关燃料喷射参数的选取：在确定燃烧方式以及喷射方案的基础上，结合发动机实际工况及其特点，选取合适的柴油替代率和EGR率，并根据额定工况下所需燃料热值基本不变的原则，进而计算出引燃柴油和天然气的量，接着确认柴油以及天然气的喷射时刻，喷射次数，每次喷射量以及每次喷射压力；
S4：发动机燃烧模型的建立与验证：建立发动机燃烧室模型，选取原机的某一工况，将模拟所得的结果与实验结果进行对比分析验证所建发动机燃烧室模型的准确性；
S5：不同喷射方案的模拟分析：在确定发动机燃烧室模型符合实验要求时，根据不同的喷射方案，利用CFD软件对设计方案进行缸内燃烧的数值模拟；根据数值模拟结果，分析不同喷射方案的缸内燃烧以及排放特性，总结出规律以及更优的喷射策略；最后，从缸内燃烧温度、压力以及NOx量的变化对NOx排放以及爆震燃烧控制策略的效果进行验证与评估，并得出一般性的结论；
所述S3引燃柴油所占比例为6%；压缩冲程阶段，柴油在上止点前20°CA高压喷射进入气缸，喷射压力为90MPa；随后，天然气高压分段喷射进入气缸；天然气第一次喷射量占天然气比例为5%~15%，天然气第二次喷射量占天然气比例为85%~95%；天然气第二次喷射起点定为上止点前2°CA，第一次喷射与第二次喷射间隔为3~12°CA。
进一步的，所述S4中发动机燃烧室模型准确性的验证，主要是针对所确定某一方案的燃烧过程，模拟所得的缸内压力与试验中压力传感器所测的数据进行对比分析。
进一步的，所述的对不同喷射方案的缸内燃烧以及排放特性进行分析，主要是针对缸内燃料的浓度场、温度场、燃烧压力、放热率、速度场、湍流变化等以及生成的NOx,并得出一般性的结论；其中，缸内燃烧温度、压力以及NOx量的变化是验证NOx排放以及爆震燃烧控制策略的主要依据。
本发明的优点在于：
1）本发明中结合理论设计及CFD数值模拟对排放控制策略进行设计，理论设计的定性分析结果与CFD数值模拟的定量结果可以相互验证，从而说明设计方案的合理性，设计完成之后，从缸内燃烧温度、压力以及NO X 量的变化对NOX排放以及爆震燃烧控制策略效果进行评估；定性分析结果与定量分析结果可以相互验证，不仅能保证设计方案的正确性，还能保证设计方案的合理性和良好的控制效果。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的油气共用喷射器示意图。
图2为本发明的发动机进气门关闭时刻燃烧室的网格模型示意图。
图3为本发明的发动机活塞处于止点时刻燃烧室的网格模型示意图。
图4为本发明的发动机某一工况缸内实测压力曲线和模拟压力曲线对比图。
图5为本发明的发动机多个燃料喷射动作示意图。
图6至图9是天然气第一次与第二次喷射间隔角分别为3°CA、6°CA、9°CA、12°CA时，不同的天然气第一次喷射比例(5%、10%、15%)，其NO质量分数随曲轴转角的变化曲线。
图10至图12是天然气第一次喷射比例分别为5%、10%、15%时，不同的天然气第一次与第二次喷射间隔角（3°CA、6°CA、9°CA、12°CA），其NO质量分数随曲轴转角的变化曲线。
图13至图15为天然气第一次与第二次喷射间隔角为12°CA时，不同的天然气第一次喷射比例（5%、10%、15%），其缸内温度，缸内压力以及燃烧放热率随曲轴转角的变化曲线。
图16至图18为天然气第一次喷射比例为15%时，不同的天然气第一次与第二次喷射间隔角（3°CA、6°CA、9°CA、12°CA），其缸内温度，缸内压力以及燃烧放热率随曲轴转角的变化曲线。
图19为上止点后30°CA，单次喷射方案、Pi-15%-12°CA方案、Pi-15%-3°CA方案，其缸内燃空当量比、天然气浓度、温度分布以及NO X 分布的云图对比。
图20为上止点后30°CA，单次喷射方案、Pi-15%-12°CA方案、Pi-5%-12°CA方案，其缸内燃空当量比、天然气浓度、温度分布以及NO X 分布的云图对比。
如图所示：101. 油气共用喷射器；102.电磁阀；103.供油/回油；104.通断两段阀；105.燃油柱塞；106.燃油针阀；107.天然气针阀；108.柱塞；109.天然气；110.燃油喷束；111.天然气喷束；401. 柴油喷射； 402. 天然气第一次喷射(少量)；403. 天然气第二次喷射(多量)；404. 进气冲程下止点；405. 压缩冲程上止点；406. 柴油与天然气第一次喷射间隔角；407. 天然气第一次喷射与第二次喷射间隔角。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
一种双燃料发动机额定工况NO X 排放及爆震燃烧控制策略，在额定工况下，采用油气共用喷射器，根据柴油与天然气不同的燃烧特性，采用理论设计与CFD数值模拟相结合的方法对排放控制策略进行设计，两者的结果可以相互验证，且对排放控制策略的效果进行评估，并得出一般性的结论；具体控制策略如下：
S1：燃烧方式的确定：针对双燃料发动机的额定工况，为了满足天然气与柴油的相互耦合，实现缸内混合气浓度与燃料成分的可控分层分布，兼具扩散燃烧与均质火焰传播，采用分层压燃模式；
S2：喷射方案的确定：采用的油气共用喷射器，分别连接到供油管路以及供气管路，所能提供的柴油喷射压力为80~140MPa,天然气喷射压力为12~16MPa；油气共用喷射器连接到双燃料ECU上；相应的燃料喷射方案为柴油单次喷射，天然气采用少量第一次喷射与多量第二次喷射策略，且均采用缸内高压直喷的方式；
S3：相关燃料喷射参数的选取：在确定燃烧方式以及喷射方案的基础上，结合发动机实际工况及其特点，选取合适的柴油替代率和EGR率，并根据额定工况下所需燃料热值基本不变的原则，进而计算出引燃柴油和天然气的量，接着确认柴油以及天然气的喷射时刻，喷射次数，每次喷射量以及每次喷射压力；
S4：发动机燃烧模型的建立与验证：建立发动机燃烧室模型，选取原机的某一工况，将模拟所得的结果与实验结果进行对比分析验证所建发动机燃烧室模型的准确性；
S5：不同喷射方案的模拟分析：在确定发动机燃烧室模型符合实验要求时，根据不同的喷射方案，利用CFD软件对设计方案进行缸内燃烧的数值模拟；根据数值模拟结果，分析不同喷射方案的缸内燃烧以及排放特性，总结出规律以及更优的喷射策略；最后，从缸内燃烧温度、压力以及NOx量的变化对NOx排放以及爆震燃烧控制策略的效果进行验证与评估，并得出一般性的结论；
S3引燃柴油所占比例为6%；压缩冲程阶段，柴油在上止点前20°CA高压喷射进入气缸，喷射压力为90MPa；随后，天然气高压分段喷射进入气缸；天然气第一次喷射量占天然气比例为5%~15%，天然气第二次喷射量占天然气比例为85%~95%；天然气第二次喷射起点定为上止点前2°CA，第一次喷射与第二次喷射间隔为3~12°CA。
S4中发动机燃烧室模型准确性的验证，主要是针对所确定某一方案的燃烧过程，模拟所得的缸内压力与试验中压力传感器所测的数据进行对比分析。
对不同喷射方案的缸内燃烧以及排放特性进行分析，主要是针对缸内燃料的浓度场、温度场、燃烧压力、放热率、速度场、湍流变化等以及生成的NOx,并得出一般性的结论；其中，缸内燃烧温度、压力以及NOx量的变化是验证NOx排放以及爆震燃烧控制策略的主要依据。
针对额定工况下，双燃料发动机可以采用的燃烧模式（均质压燃、分层压燃、传统柴油机）进行分析选取。这其中，均质压燃的燃烧模式无法有效地控制燃烧相位，且运行范围由于受到小负荷失火和大负荷爆燃的影响而被限制在一个较小的范围内，即使能够通过大量冷却EGR控制高负荷时的燃烧速率，其功率输出也不能满足要求。传统柴油机模式适用于冷启动、怠速以及低负荷工况，但在高负荷下，无法充分发挥天然气发动机环保性和经济性的优势，故最终选取分层压燃模式。通过柴油与天然气的相互耦合，实现缸内混合气浓度与燃料成分的可控分层分布，兼具扩散燃烧与均质火焰传播。如图1所示，油气共用喷射器101有两套针阀，内部针阀106控制柴油的喷射时间与脉宽，外部针阀107控制CNG，先喷入少量引燃柴油110形成火核,再将高压燃气111喷射在火焰上,利用柴油形成的多个火核形成多点同时燃烧,混合气燃烧速度快,发动机热效率高,动力性强。且其外部几何形状和常规的柴油喷嘴相差无几，基本不需要对原机进行大的改动。综合比较，针对本机型的额定工况工况，采用油气共用喷射器101，燃料缸内高压直喷的分层扩散燃烧模式。油气共用喷射器安装位置位于缸盖居中、垂直布置。
利用三维制图软件绘制出双燃料发动机的燃烧室模型，然后导入到CFD数值模拟软件中，进行相应面网格与体网格的划分、相应边界条件的确定以及计算模型的选取，从而建立起双燃料发动机的燃烧室数值模型。如图2与图3所示，活塞分别位于进气门关闭与上止点时刻。动网格质量良好，无坏网格。预燃室与主燃室之间由8个通道等间距连接。选取原机某一工况，将模拟所得的缸内压力与压力传感器所测的试验数据进行对比分析，从而检验燃烧室模型建立的准确性并进行相应的调整。验证结果如图4所示。
在此基础上，进一步地进行相关喷射方案参数的设计。首先，根据发动机所处的额定工况，确定原机所需燃料的总热值。然后，基于等热值替代的原则，计算出所需柴油量与天然气的量。
由于发动机额定工况负荷较高，且采用油气共用喷射器101与燃料缸内高压直喷的分层扩散燃烧模式，故所述喷射方案，天然气所占比例可较高选定为94%。在此基础上，计算出柴油与天然气的量，并将EGR率选定为10%。在此基础上，设计出柴油喷射的相关参数。压缩冲程阶段，引燃柴油401在上止点405前20°CA高压喷射进入气缸，喷射压力为90MPa。
在此基础上，进行天然气相关喷射参数的设计。为了改善了燃烧室内混合气形成质量,降低缸内最大爆发压力和最高燃烧温度，减少NO X 排放，避免爆震燃烧。结合相关燃烧学理论，类比于柴油机中的预喷与主喷分段喷射，将天然气设计为高压分段喷射，分别命名为天然气第一次喷射402与天然气第二次喷射403, 且喷射压力为14MPa。其中，第一次喷射402占天然气比例为5%-15%，第二次喷射403占天然气比例为85%~95%，天然气第二次喷射起点定为上止点405前2°CA，第一次喷射与第二次喷射间隔407为3~12°CA。故选取天然气第一次喷射402比例分别为5%、10%、15%，第一次喷射与第二次喷射间隔407分别为3°CA、6°CA、9°CA、12°CA，不同喷射量与喷射间隔相互耦合，共12种（3×4）燃料喷射方案。加上天然气单次喷射方案（取消掉第一次少量喷射，并以这种方案为Baseline），一共有13种燃料喷射方案进行数值模拟。
13种不同喷射方案的数值模拟结果具体见图6至图20，主要包括缸内燃烧以及排放特性进行分析，主要是针对缸内燃空当量比、燃料的浓度场、温度场、燃烧压力、放热率、NO X 浓度分布及其生成量。其中，缸内燃烧温度、压力以及NO X 量的变化是验证NOX排放以及爆震燃烧控制策略的主要依据。
分析可得，采用天然气分段喷射策略，改善了混合气形成质量, 其第一次少量喷射所形成的预混合燃烧能够缩短第二次多量喷射的着火滞燃期，降低缸内最大爆发压力和最高燃烧温度，起到了减少NO X 排放，抑制爆震燃烧的作用。但这需要对第一次喷射量402以及第一次与第二次喷射间隔407进行优化调整；在第一次与第二次喷射间隔407较大时，宜采用较大的第一次喷射量402。第一次与第二次喷射间隔407较小时，第一次喷射量402宜减少。且第一次与第二次喷射间隔角407不宜过小，否则效果会适得其反；第一次喷射量402固定时，较大的第一次与第二次喷射间隔407有利于改善排放；第一次喷射量402较小时，排放对第一次与第二次喷射间隔407的变化相对不敏感。
以上数值模拟结果的分析结论，符合燃烧学理论以及前人所研究的一些成果。充分说明了本设计方案，及一种柴油/天然气双燃料发动机额定工况下NO X 排放以及爆震燃烧控制策略的正确性、合理性以及良好的效果。
天然气单次喷射方案为SI(Single Injection),并将其作为基准方案(Baseline)。天然气分段喷射方案为Pi-a%-b°CA(Pilot Injection)，Pi表示少量第一次喷射，a%表示第一次喷射比例ƞ, b°CA表示第一次喷射与第二次喷射间隔，如第一次喷射比例5%，第一次喷射与第二次喷射间隔为12°CA 的方案,表示为Pi-5%-12°CA。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种双燃料发动机额定工况NO X 排放及爆震燃烧控制策略，其特征在于：在额定工况下，采用油气共用喷射器，根据柴油与天然气不同的燃烧特性，采用理论设计与CFD数值模拟相结合的方法对排放控制策略进行设计，两者的结果可以相互验证，且对排放控制策略的效果进行评估，并得出一般性的结论；具体控制策略如下：
S1：燃烧方式的确定：针对双燃料发动机的额定工况，为了满足天然气与柴油的相互耦合，实现缸内混合气浓度与燃料成分的可控分层分布，兼具扩散燃烧与均质火焰传播，采用分层压燃模式；
S2：喷射方案的确定：采用的油气共用喷射器，分别连接到供油管路以及供气管路，所能提供的柴油喷射压力为80~140MPa,天然气喷射压力为12~16MPa；油气共用喷射器连接到双燃料ECU上；相应的燃料喷射方案为柴油单次喷射，天然气采用少量第一次喷射与多量第二次喷射策略，且均采用缸内高压直喷的方式；
S3：相关燃料喷射参数的选取：在确定燃烧方式以及喷射方案的基础上，结合发动机实际工况及其特点，选取合适的柴油替代率和EGR率，并根据额定工况下所需燃料热值基本不变的原则，进而计算出引燃柴油和天然气的量，接着确认柴油以及天然气的喷射时刻，喷射次数，每次喷射量以及每次喷射压力；
S4：发动机燃烧模型的建立与验证：建立发动机燃烧室模型，选取原机的某一工况，将模拟所得的结果与实验结果进行对比分析验证所建发动机燃烧室模型的准确性；
S5：不同喷射方案的模拟分析：在确定发动机燃烧室模型符合实验要求时，根据不同的喷射方案，利用CFD软件对设计方案进行缸内燃烧的数值模拟；根据数值模拟结果，分析不同喷射方案的缸内燃烧以及排放特性，总结出规律以及更优的喷射策略；最后，从缸内燃烧温度、压力以及NOx量的变化对NOx排放以及爆震燃烧控制策略的效果进行验证与评估，并得出一般性的结论；
所述S3引燃柴油所占比例为6%；压缩冲程阶段，柴油在上止点前20°CA高压喷射进入气缸，喷射压力为90MPa；随后，天然气高压分段喷射进入气缸；天然气第一次喷射量占天然气比例为5%~15%，天然气第二次喷射量占天然气比例为85%~95%；天然气第二次喷射起点定为上止点前2°CA，第一次喷射与第二次喷射间隔为3~12°CA。
2.根据权利要求1所述的一种双燃料发动机额定工况NO X 排放及爆震燃烧控制策略，其特征在于：所述S4中发动机燃烧室模型准确性的验证，主要是针对所确定某一方案的燃烧过程，模拟所得的缸内压力与试验中压力传感器所测的数据进行对比分析。
3.根据权利要求1所述的一种双燃料发动机额定工况NO X 排放及爆震燃烧控制策略，其特征在于：所述的对不同喷射方案的缸内燃烧以及排放特性进行分析，主要是针对缸内燃料的浓度场、温度场、燃烧压力、放热率、速度场、湍流变化等以及生成的NOx,并得出一般性的结论；其中，缸内燃烧温度、压力以及NOx量的变化是验证NOx排放以及爆震燃烧控制策略的主要依据。
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