CN116562190A - 一种协同涡流的天然气发动机燃烧优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种协同涡流的天然气发动机燃烧优化方法，该方法包括以下步骤：获取基础发动机数据；建立基础发动机的耦合详细化学动力学的三维CFD仿真模型；通过CFD计算获得缸内涡流比和以速度矢量表示的缸内涡流运动；结合缸内流动特性，对引燃燃料喷射轴线和天然气喷射轴线在俯视图平面上的夹角A进行优化设计；对新设计的发动机重新构建仿真模型和进行CFD计算，并与基础发动机对比燃烧持续时间和发动机热效率；重复上述过程，进行多次优化计算，确定实现发动机快速扩散燃烧的最佳夹角A。本发明能够使得天然气的喷射范围刚好处于引燃燃料燃烧后提供的高温区域，从而使得喷入缸内的天然气可以快速扩散燃烧，进而改善发动机热效率。
Description
技术领域
本发明涉及天然气发动机燃烧技术领域，具体涉及一种微引燃式高压缸内直喷天然气发动机燃烧优化方法。
背景技术
天然气是一种受欢迎的清洁替代燃料，在内燃机中使用时具有低CO2排放和几乎无碳烟排放的特点。因此，天然气发动机可用于替代柴油发动机作为车辆的动力源，以满足日益严格的碳排放法规和有害排放物法规。在节能减排背景下，未来对天然气发动机的燃油消耗法规将更加严格，进一步提升天然气发动机热效率受到广泛关注。在双燃料配置下运行的微引燃式高压缸内直喷天然气发动机可以实现更高的热效率。然而，天然气的主要成分是甲烷，其燃点比汽油和柴油都高，表现在燃烧过程中，就是燃烧持续时间较长，容易造成天然气发动机在燃烧膨胀过程出现燃烧不充分的情况，燃烧效果不好将直接影响到发动机的动力性、经济性和排放性。
目前减少天然气发动机燃烧持续时间的方法主要有：高湍流技术、高效增压技术、预燃室技术以及喷射参数和喷射策略优化技术等。对于微引燃式高压缸内直喷天然气发动机，通过改变喷入缸内的天然气浓度分布，使得更多的天然气分布在高温区域，就可以有效地改善微引燃式高压缸内直喷天然气发动机的燃烧效果，而缸内微观的气流组织是复杂的，并对高温区域分布、喷入缸内的天然气浓度分布以及燃烧持续时间有较大的影响。因此，急需一种方法，使得缸内微观的气流组织与双燃料喷射器的喷射参数和喷射策略更好地匹配，以优化天然气发动机的燃烧效果。对于研发人员来说，最大的问题是发动机缸内流动和燃烧是封闭不可见的，难以对缸内流动特性、缸内高温区域分布以及喷入缸内的天然气浓度分布等情况进行可视化，因此研发人员难以对双燃料喷射器的喷射参数和喷射策略进行优化设计。为了解决这个难题，耦合详细化学动力学的CFD（计算流体力学）仿真就应运而生了。目前并没有提出通过协同CFD计算获得的缸内涡流运动来设计双燃料喷射器的喷射参数和喷射策略以加快微引燃式高压缸内直喷天然气发动机燃烧持续时间的这一思路。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种协同涡流的天然气发动机燃烧优化方法，能够实现微引燃式高压缸内直喷天然气发动机的快速扩散燃烧，并提高发动机热效率。
本发明采取的技术方案是：
一种协同涡流的天然气发动机燃烧优化方法，其特征在于，获取基础发动机的燃烧系统几何数据，燃料喷射脉宽数据以及台架试验数据；建立基础发动机的耦合详细化学动力学的三维CFD（计算流体力学）仿真模型，并通CFD计算获得缸内涡流比和以速度矢量表示的缸内涡流运动；结合获得的缸内涡流比和以速度矢量表示的缸内涡流运动，对引燃燃料喷射轴线和天然气喷射轴线在俯视图平面上的夹角A进行优化设计；对新设计的发动机重新构建耦合详细化学动力学的三维CFD仿真模型，进行计算并与基础发动机对比燃烧持续时间和发动机热效率；确定实现发动机快速扩散燃烧的最佳引燃燃料喷射轴线和天然气喷射轴线在俯视图平面上的夹角A。
所述的燃烧系统几何数据包括：双燃料喷射器1、加工在活塞顶内的燃烧室凹坑2、进气道3、两个进气阀门4、排气道5以及两个排气阀门6；其中，双燃料喷射器1由两个同心针阀组成，可同时通过喷油孔7喷射引燃燃料和通过喷气孔8喷射天然气，加工在活塞顶内的燃烧室凹坑2为形状，进气道3和排气道5为螺旋气道。
所述的燃料喷射脉宽数据包括：引燃燃料喷射脉宽d1、双燃料喷射间隔d2和天然气喷射脉宽d3；所述的双燃料喷射器1在压缩冲程后期通过喷油孔以高压直喷方式在设定的引燃燃料喷射脉宽d1内向加工在活塞顶内的燃烧室凹坑2喷射少量用于引燃的引燃燃料；所述的双燃料喷射器1通过喷气孔以高压直喷方式在设定的天然气喷射脉宽d3内向加工在活塞顶内的燃烧室凹坑2喷射大量用于做功的天然气。
所述的台架试验数据通过发动机台架试验获取，包括：发动机转速n、发动机扭矩、发动机热效率、进气歧管压力和温度、进气流量、各缸的气缸压力和放热率以及各缸的排气压力和温度。
所述的耦合详细化学动力学的三维CFD仿真模型需要包括湍流模型、喷雾模型、详细化学动力学求解器以及引燃燃料和天然气双燃料化学反应机理，需要进行网格无关性验证，需要通过台架试验获得的气缸压力和放热率等实测数据来进行模型验证。
所述的缸内涡流运动指的是通过进气道3在进气过程中形成的绕气缸轴线（定义为Z轴）有组织的气流运动，即混合气绕Z轴的旋转运动；所述的缸内涡流比R定义为混合气绕Z轴旋转角速度w 与发动机转速n的比值。
所述的优化设计方法为：使引燃燃料喷射轴线和天然气喷射轴线在俯视图平面上的夹角A等于混合气在引燃燃料喷射脉宽d1和双燃料喷射间隔d2内所旋转过的角度；所述的混合气在引燃燃料喷射脉宽d1和双燃料喷射间隔d2内所旋转过的角度等于混合气绕Z轴旋转角速度w与引燃燃料喷射脉宽d1和双燃料喷射间隔d2之和的乘积；所述的混合气绕Z轴旋转角速度w等于通过CFD计算获得的缸内涡流比R与发动机转速n的乘积。
所述的燃烧持续时间为10%到90%混合气燃烧所经历的时间或曲轴转角；所述的发动机热效率指的是发动机循环指示功与所消耗的燃料热量的比值；所述的发动机循环指示功通过对气缸压力进行数值积分求得；所述的所消耗的燃料热量等于喷射的引燃燃料的热量加上喷射的天然气的热量。
所述的实现发动机快速扩散燃烧的评价标准是燃烧持续时间最短和发动机热效率最大。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
发动机缸内流动和燃烧是可视的，缸内流动特性、缸内高温区域分布以及喷入缸内的天然气浓度分布是可视的；缸内微观的气流组织与双燃料喷射器的喷射参数和喷射策略可以更好地协同以优化天然气发动机的燃烧效果；本发明可以使得天然气的喷射范围刚好处于引燃燃料燃烧后提供的高温区域，从而使得喷入缸内的天然气可以快速扩散燃烧，进而改善发动机热效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的实施步骤图。
图2为本发明的燃烧系统示意图。
图3为本发明的双燃料喷射系统示意图。
图4为本发明的燃料喷射脉宽示意图。
图5为本发明的双燃料喷射器向缸内喷入引燃燃料时的示意图。
图6为本发明的双燃料喷射器向缸内喷入天然气时的示意图。
图7为本发明的引燃燃料喷射轴线和天然气喷射轴线在俯视图平面上的示意图。
图8为本发明的由CFD计算获得的发动机缸内涡流运动结果图。
实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明。
一种协同涡流的天然气发动机燃烧优化方法，具体实施流程参见图1，具体步骤如下：
步骤一，通过测量和测试获取基础发动机的燃烧系统几何数据，燃料喷射脉宽数据以及台架试验数据。
结合图2，所述的燃烧系统几何数据包括：双燃料喷射器1、加工在活塞顶内的燃烧室凹坑2、进气道3、进气阀门4、排气道5以及排气阀门6。其中，双燃料喷射器1由两个同心针阀组成，参见图3，可同时通过喷油孔7喷射引燃燃料和通过喷气孔8喷射天然气；加工在活塞顶内的燃烧室凹坑2为形状；进气道3和排气道5为螺旋气道，螺旋进气道用于产生缸内涡流运动；进气阀门4和排气阀门6各有两个。
结合图4，所述的燃料喷射脉宽数据包括引燃燃料喷射脉宽d1，双燃料喷射间隔d2，天然气喷射脉宽d3。其中，t0为引燃燃料喷射开启时刻，t1为引燃燃料喷射结束时刻，t2为天然气喷射开启时刻，t3为天然气喷射结束时刻；t0和t1之间的时间间隔为引燃燃料喷射脉宽d1，t2和t3之间的时间间隔为天然气喷射脉宽d3；t1和t2之间的时间间隔定义为双燃料喷射间隔d2。d1的范围为8°CA~15°CA，d2的范围为1°CA~3°CA，d3的范围为20°CA~40°CA。
在燃料喷射脉宽的控制下，所述的双燃料喷射器1的运行模式如下：
首先，所述的双燃料喷射器1在压缩冲程后期通过喷油孔以高压直喷方式在设定的引燃燃料喷射脉宽d1内向加工在活塞顶内的燃烧室凹坑2喷射少量用于引燃的引燃燃料，参见图5。喷油孔孔数的范围为7~9个，孔径的范围为0.1~0.2mm；引燃燃料为活性强的燃料（高十六烷值燃料，如柴油），喷射压力在32MPa以上；喷油孔的轴线与双燃料喷射器1的轴线形成的夹角B1的范围为70°~75°。
随后，喷入气缸的引燃燃料被压缩自燃，并提供足够高的温度启动天然气的燃烧。此时，所述的双燃料喷射器1通过喷气孔以高压直喷方式在设定的天然气喷射脉宽d3内向加工在活塞顶内的燃烧室凹坑2喷射大量用于做功的天然气，参见图6。喷气孔孔数的范围为7~9个，孔径的范围为0.5~0.7mm；天然气喷射压力在30MPa以上；喷气孔的轴线与双燃料喷射器1的轴线形成的夹角B2的范围为70°~75°。
喷射的引燃燃料的热量占所消耗的燃料热量的5%，喷射的天然气的热量占所消耗的燃料热量的95%。所述的所消耗的燃料热量等于喷射的引燃燃料的热量加上喷射的天然气的热量。
所述的台架试验数据通过发动机台架试验获取，包括：发动机转速n、发动机扭矩、发动机热效率、进气歧管压力和温度、进气流量、各缸的气缸压力和放热率以及各缸的排气压力和温度。台架试验的工况为发动机外特性工况（全负荷速度特性试验）；试验时的性能爆压限制为180bar~200bar。通过台架试验获得的气缸压力和放热率等实测数据为仿真模型的标定提供了可靠依据。
步骤二，基于获取的燃烧系统几何数据，燃料喷射脉宽数据以及台架试验数据建立基础发动机的耦合详细化学动力学的三维CFD仿真模型，并通过CFD计算来获得缸内流动特性和燃烧特性结果。
所述的耦合详细化学动力学的三维CFD仿真模型构建过程如下：
首先，根据获取的燃烧系统几何数据建立几何模型；
接下来，准确设置边界条件和初始条件；
接下来，进行物理化学模型的设置，使用湍流模型和喷雾模型来模拟缸内的气体流动和燃料喷射事件。同时，使用详细化学动力学求解器和引燃燃料和天然气双燃料化学反应机理来模拟缸内燃烧事件；
接下来，进行网格无关性验证，选择合适的网格尺寸。在同时考虑计算精度和计算时间的条件下，选择了2mm的网格尺寸；
最后，将计算结果和试验结果进行对比，使得计算结果和试验结果一致，以验证所构建的耦合详细化学动力学的三维CFD仿真模型的有效性。所述的缸内流动特性和燃烧特性结果包括缸内涡流比、气缸压力和放热率等二维数据，以及以速度矢量表示的涡流运动和温度分布等三维数据。根据台架试验获取的气缸压力和放热率对所构建的耦合详细化学动力学的三维CFD仿真模型进行标定验证。
步骤三，结合获得的缸内涡流比和以速度矢量表示的涡流运动等缸内流动特性计算结果，对引燃燃料喷射轴线和天然气喷射轴线在俯视图平面上的夹角A进行优化设计，参见图7。
结合图8，所述的缸内涡流运动指的是通过进气道3在进气过程中形成的绕气缸轴线（定义为Z轴）有组织的气流运动，即混合气绕Z轴的旋转运动；所述的缸内涡流比R定义为混合气绕Z轴旋转角速度w与发动机转速n的比值。所述的通过CFD计算获得的缸内涡流比R的范围为1~2。
所述的缸内涡流运动计算结果通过俯视图切片上的速度矢量（如图8中显示的箭头）来表示；所述的缸内涡流运动计算结果为混合气围绕Z轴逆时针的旋转运动；所述的混合气绕Z轴旋转角速度w定义为混合气在单位时间dt内所旋转过的角度dQ。
对引燃燃料喷射轴线和天然气喷射轴线在俯视图平面上的夹角A进行优化设计的方法如下：
使引燃燃料喷射轴线和天然气喷射轴线在俯视图平面上的夹角A等于混合气在引燃燃料喷射脉宽d1和双燃料喷射间隔d2内所旋转过的角度；
所述的混合气在引燃燃料喷射脉宽d1和双燃料喷射间隔d2内所旋转过的角度等于混合气绕Z轴旋转角速度w与引燃燃料喷射脉宽d1和双燃料喷射间隔d2之和的乘积；
所述的混合气绕Z轴旋转角速度w等于通过CFD计算获得的缸内涡流比R与发动机转速n的乘积。
优化设计的原理是：使得天然气的喷射范围刚好处于引燃燃料燃烧后提供的高温区域，就可以使得喷入缸内的天然气快速扩散燃烧，进而改善发动机热效率。因此，当引燃燃料喷射轴线和天然气喷射轴线在俯视图平面上的夹角A等于混合气在引燃燃料喷射脉宽d1和双燃料喷射间隔d2内所旋转过的角度时，天然气发动机的性能是最佳的。
步骤四，在对引燃燃料喷射轴线和天然气喷射轴线在俯视图平面上的夹角A优化设计后，对新设计的发动机重新构建耦合详细化学动力学的三维CFD仿真模型，进行计算并与基础发动机对比相应的计算结果。
所述的相应的计算结果主要为燃烧持续时间和发动机热效率；所述的燃烧持续时间为10%到90%混合气燃烧所经历的时间或曲轴转角，所述的10%到90%混合气燃烧所经历的时间或曲轴转角是通过已燃质量分数曲线获得，所述的已燃质量分数通过对放热率进行累计积分和归一化处理求得；所述的发动机热效率指的是发动机循环指示功与所消耗的燃料热量的比值，所述的发动机循环指示功通过对气缸压力进行数值积分求得。
步骤五，确定实现发动机快速扩散燃烧的最佳引燃燃料喷射轴线和天然气喷射轴线在俯视图平面上的夹角A。
通过对比相应的计算结果，当燃烧持续时间最短和发动机热效率最大时，所设计的引燃燃料喷射轴线和天然气喷射轴线在俯视图平面上的夹角A为最佳角度。所述的引燃燃料喷射轴线和天然气喷射轴线在俯视图平面上的夹角A的最优范围为5°~15°。
需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种协同涡流的天然气发动机燃烧优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：获取基础发动机的燃烧系统几何数据，燃料喷射脉宽数据以及台架试验数据；
步骤2：根据步骤1获得的基础发动机数据，建立基础发动机的耦合详细化学动力学的三维CFD仿真模型，进行网格划分和模型边界参数定义，通过CFD计算获得缸内涡流比和以速度矢量表示的缸内涡流运动；
步骤3：根据步骤2获得的计算结果，进行发动机缸内流动特性分析，结合缸内流动特性对引燃燃料喷射轴线和天然气喷射轴线在俯视图平面上的夹角A进行优化设计；
步骤4：对新设计的发动机重新构建耦合详细化学动力学的三维CFD仿真模型并进行计算，得到燃烧持续时间和发动机热效率等仿真结果，并且将其与基础发动机进行对比；
步骤5：重复步骤2至步骤4，确定实现发动机快速扩散燃烧的最佳夹角A，获得最高的发动机热效率。
2.根据权利要求1所述的一种协同涡流的天然气发动机燃烧优化方法，其特征在于，所述的燃烧系统几何数据包括：双燃料喷射器1、燃烧室凹坑2、进气道3、两个进气阀门4、排气道5以及两个排气阀门6；其中，双燃料喷射器1由两个同心针阀组成，可同时通过喷油孔7喷射引燃燃料和通过喷气孔8喷射天然气，燃烧室凹坑2为w形状，进气道3和排气道5为螺旋气道。
3.根据权利要求1所述的一种协同涡流的天然气发动机燃烧优化方法，其特征在于，所述的燃料喷射脉宽数据包括：引燃燃料喷射脉宽d1、双燃料喷射间隔d2和天然气喷射脉宽d3；所述双燃料喷射器1在压缩冲程后期通过喷油孔以高压直喷方式在设定的引燃燃料喷射脉宽d1内向加工在活塞顶内的燃烧室凹坑2喷射少量用于引燃的引燃燃料；所述双燃料喷射器1通过喷气孔以高压直喷方式在设定的天然气喷射脉宽d3内向加工在活塞顶内的燃烧室凹坑2喷射大量用于做功的天然气。
4.根据权利要求1所述的一种协同涡流的天然气发动机燃烧优化方法，其特征在于，所述的台架试验数据通过发动机台架试验获取，包括：发动机转速n、发动机扭矩、发动机热效率、进气歧管压力和温度、进气流量、各缸的气缸压力和放热率以及各缸的排气压力和温度。
5.根据权利要求1所述的一种协同涡流的天然气发动机燃烧优化方法，其特征在于，所述的耦合详细化学动力学的三维CFD仿真模型需要包括湍流模型、喷雾模型、详细化学动力学求解器以及引燃燃料和天然气双燃料化学反应机理，需要进行网格无关性验证，需要通过台架试验获得的气缸压力和放热率等实测数据来进行模型验证。
6.根据权利要求1所述的一种协同涡流的天然气发动机燃烧优化方法，其特征在于，所述的缸内涡流运动指的是通过进气道3在进气过程中形成的绕气缸轴线（定义为Z轴）有组织的气流运动，即混合气绕Z轴的旋转运动；所述的缸内涡流比R定义为混合气绕Z轴旋转角速度w与发动机转速n的比值。
7.根据权利要求1所述的一种协同涡流的天然气发动机燃烧优化方法，其特征在于，所述的优化设计方法为：使引燃燃料喷射轴线和天然气喷射轴线在俯视图平面上的夹角A等于混合气在引燃燃料喷射脉宽d1和双燃料喷射间隔d2内所旋转过的角度；所述的混合气在引燃燃料喷射脉宽d1和双燃料喷射间隔d2内所旋转过的角度等于混合气绕Z轴旋转角速度w与引燃燃料喷射脉宽d1和双燃料喷射间隔d2之和的乘积；所述的混合气绕Z轴旋转角速度w等于通过CFD计算获得的缸内涡流比R与发动机转速n的乘积。
8.根据权利要求1所述的一种协同涡流的天然气发动机燃烧优化方法，其特征在于，所述的燃烧持续时间为10%到90%混合气燃烧所经历的时间或曲轴转角；所述的发动机热效率指的是发动机循环指示功与所消耗的燃料热量的比值，所述的发动机循环指示功通过对气缸压力进行数值积分求得，所述的所消耗的燃料热量等于喷射的引燃燃料的热量加上喷射的天然气的热量。
9.根据权利要求1所述的一种协同涡流的天然气发动机燃烧优化方法，其特征在于，所述的实现发动机快速扩散燃烧的评价标准是燃烧持续时间最短和发动机热效率最高。
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Cited By (1)
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2023
- 2023-06-15 CN CN202310709342.XA patent/CN116562190A/zh active Pending
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| CN117421841A (zh) * | 2023-12-18 | 2024-01-19 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种燃烧室、发动机及燃烧室设计方法 |
| CN117421841B (zh) * | 2023-12-18 | 2024-04-16 | 潍柴动力股份有限公司 | 一种燃烧室、发动机及燃烧室设计方法 |
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