【作者】

Stephanie Frankl，Stephan Gleis，Georg Wachtmeister

【摘要】

摘要：在全球气候变化时期，减少二氧化碳和甲烷排放是内燃机研究的主要目标。由于天然气与柴油相比具有更优的C与H原子比，因此使用天然气作为主要燃料是一种降低二氧化碳排放的好方法。因此，中型船用发动机通常以双燃料燃烧模式运行，在该模式下，喷油嘴处的天然气由少量直接喷射的柴油点燃。由于稀薄燃烧中的火焰淬火反应，使得这种经典的燃烧模式中的甲烷排放增加。避免产生这种问题的一种方法是：可以在高的条件下直接注入天然气并以扩散燃烧模式燃烧，类似于柴油的燃烧。另外，因为该燃烧模式不会出现爆震或爆燃的情况，所以在该燃烧模式下允许压缩比与柴油发动机中的压缩比同样高。 在为期42个月的研究项目中，为高速船用柴油机开发出了高压双燃料燃烧系统，采用了Woodward L'Orange的新型高压天然气-柴油喷射器。这项研究是在慕尼黑工业大学内燃机主席开发的排量可达4.8L全光学单缸发动机上进行的。该发动机具有从燃烧室底部到细长的光学活塞（由Bowdich设计）的光学通路，以及气缸套上部的侧向光学通道。为了能够在现代内燃机相关条件下验证发动机的燃烧过程，该发动机的设计能够承受较高的缸内爆压。到目前为止，该发动机能够承受的缸内爆压高于190bar，且平均有效压力高于20bar。 本次研究是在一台全光学单缸发动机上进行实验和燃烧开发的，该发动机使用天然气作为主要燃料，在高达350bar的高压条件下，在上止点之前进行喷射，并通过柴油喷雾点燃。为了使实验误差产生的影响最小化，建立了CFD模型，并用实验测得的缸压、流场粒子-图像-速度，以及通过高速摄影机得到的颗粒物图像等相关数据来标定CFD仿真模型。 对于HPDF燃烧，验证了柴油喷射正时对于天然气喷射的影响。使用高速摄像机，记录柴油燃烧产物的颗粒物亮度及天然气扩散燃烧情况。此外，通过带有闪光灯的横向光学通道照射燃烧室，以便可以观察柴油点燃喷射的液相。使用闪光灯也可以观察经过精细分散的密封油滴（用于防止喷射器内的气体泄漏）的气体射流。 为了详细描述仿真模拟中的燃油喷射和燃烧，本次的CFD模型使用拉格朗日液滴方法模拟液体的喷射方式和化学特性，以模拟气缸120度扇形区域内的燃烧。用N-庚烷的Chalmers-53机制来描述2种燃料的点火和燃烧。天然气以质量流边界形式进入仿真的燃烧区域内，喷射速度是通过双燃料喷射器实验测量的数据。 这项工作表明了柴油喷射正时对实验中的天然气喷射的影响，以及如何使用经验证的CFD模型来解释HPDF燃烧的高速图像，以便了解点火的机理、天然气喷射点和随后的火焰传播，在光学测量技术中，边界条件是十分重要的，例如不合适的边界条件会出现在早期的点火中不能观察到排放的颗粒物亮度或在天然气分层燃烧时，不能观察天然气燃烧与非常暗的颗粒物产生预混合的情况。

【会议名称】

第29届CIMAC会议

【会议地点】

加拿大 温哥华

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