lng柴油双燃料发动机喷油策略选择selectionoffuelinjectionstrategyforlngdiese
随着社会的进步，人们更加注重环境问题。而传统柴油机因为其排放污染大，人们决定研究出一种新型发动机取代他。天然气储量大,是新能源一个合适的选择。但因为其燃烧困难，CNG发动机充气效率低，于是引出了柴油LNG双燃料发动机这个概念。目标是在保证传统柴油机的性能功率基础上，尽可能地降低排放。因为较传统柴油机加入了另外一种燃料，所以喷油策略的选择是一个重要的研究课题。本文运用AVL-FIRE软件。以L21/31中速船舶柴油机改装的双燃料发动机为研究对象，建立了数值计算模型，验证了建立的模型是否合理之后，分别在缸内平均温度、缸内平均压力、NOx的排放、SOOT的排放四个方面对两种喷油策略进行对比。选择更加合理的喷油策略第一种喷油策略是先喷入主燃料LNG，待其与缸内空气混合形成均匀混合气之后，喷入引燃柴油，开始燃烧；第二种喷油策略是先喷入引燃柴油，待形成稳定着火源之后，喷入主燃料LNG，开始燃烧。最后通过模拟分析，在缸内平均压力方面第二种喷油策略压力峰值出现时刻和峰值更加接近原柴油机。在缸内平均温度方面第二种喷油策略温度峰值出现时刻和峰值大小更加接近原柴油机，而且温度分布更加均匀燃烧充分。在NOx排放方面，第二种喷油策略的排放量仅为原柴油机的7.9％，满足了降低NOx排放的目标。在SOOT排放方面，第二种喷油策略SOOT排放量，满足了降低排放的要求。综上所述，LNG柴油双燃料发动机的喷油策略要选择现象缸内喷入引燃柴油，待形成稳定着火源之后，喷入主燃料LNG。 关键词柴油LNG双燃料发动机；喷油策略的选择；数值模拟计算；NOx的排放
目录
第1章 绪 论 1
1.1选题的理论意义及实用价值......1
1.2 课题发展现状及国内、外研究及发展趋势..2
1.2.1双燃料发动机喷油策略的国内外研究现状.2
1.2.2数值模拟的国内外研究现状及发展趋势 ....3
1.3本文主要的研究工作 4
第2章LNG柴油双料发动机喷油策略选择数值计算基本原理 6
2.1 基本控制方称 6
2.1.1 质量守恒定律 6
2.1.2 动量守恒方程 6
2.1.3 能量守恒方程 7
2.2 湍流扩散模型 7
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
2.3 液滴破碎、撞壁、蒸发模型 8
2.3.1 液滴破碎模型 8
2.3.2 撞壁模型 10
2.3.3 蒸发模型 10
2.4 燃烧模型 11
2.5 NOx模型 12
第3章 数值模型的建立及边界条件的选择 13
3.1 燃烧室模型的建立.及原柴油机基本参数.................................................................13
3.2计算网格的建立 14
3.3基础模块的设置 16
3.3.1 计算步长的设置 16
3.3.2 边界条件的设置 16
3.3.3 初始条件的设置..................................................................................................18
3.3.4 方程的控制 20
3.3.5 松弛因子的设置..................................................................................................20
3.3.6 收敛性标准的判断.............................................................................................21
3.3.7 物质输运模块.....................................................................................................22
3.4 喷雾模块的设置 22
3.4.1燃油物性设置 22
3.4.2 喷嘴的设置 23
3.5 原柴油机数值计算模型的验证 24
第4章 喷油策略的选择 26
4.1 发动机模拟工况的选择 26
4.2不同喷油策略对缸内平均温度的影响 28
4.3不同喷油策略对缸内平均压力的影响 32
4.4不同喷油策略对NOx排放的影响 33
4.5不同喷油策略对SOOT排放的影响 34
总结与展望...............36
致谢.38
参考文献.39
. 第1章 绪 论
选题的理论意义及实用价值
柴油机的出现可以追溯到 1892 年，经过100 多年的发展，柴油机凭借其能量密度高，燃油消耗率低，经济性好，输出功率高，良好的耐久性等优点在各个领域得到广泛的应用[1]。现在世界上大部分船舶的只要动力几乎都是由柴油机提供的，柴油机占主推进装置的百分之90以上。然而，由于柴油机的使用数量日益增多，随之出现了很多问题，比如空气污染、能源危机等。传统柴油机废气中的NOx和PM是严重污染物，一定要严格控制。这些都是不仅对人体有害而且会造成严重的环境污染。所以为了满足科技的发展和社会的进步，设计研发出一种新型的高效、节能、环保的柴油机，寻找一种新燃料来代替石油就成为全球各个国家的当务之急[2]。
天然气由于其储量大，碳氢含量比较低，价格较低等优点成为当今社会公认的清洁型替代燃料。按照天然气的储存方式可以分为两种：第一种是将天然气压缩，称为压缩天然气（CNG）；第二种是采用低压低温液化储存，称为液化天然气（LNG）。传统CNG发动机已经发展了近百年，技术十分成熟，而LNG发动机是近些年来才被研制开发出来，虽然技术不够成熟，但是有很大发展空间。LNG相对于CNG有更多优点：LNG储存压力远低于CNG；LNG净化工艺要求更严格；LNG在加工过程中蕴藏了很大的冷能，气化时需要吸收大量的热能，帮助发动机进行散热使发动机保持在正常的工作温度范围内，具有一定的经济性[3]。
但由于LNG燃点较高，传统柴油机的压缩点燃方式不能达到LNG的燃点，于是人们决定研制出柴油LNG双燃料发动机，既能保证新型发动机相对于传统柴油机工作效率，性能动力不变甚至更好还能满足人们对环境保护和节约资源的要求。而要研制出这种双燃料发动机就随之出现了很多问题，例如喷油策略的选择。
LNG/柴油双燃料发动机，因为柴油燃烧排放物污染严重，所以其中柴油只是用来引燃主燃料LNG的，引燃柴油量十分少，燃料大部分依旧是LNG[4]。双燃料发动机保留原柴油机的进排气系统、柴油供给系统等结构，为了保证原柴油机的功率性能，并没有对原柴油机的内部结构进行改动，主要是将主燃料从柴油替换成LNG。
到目前为止，几乎没有公司专门生产柴油LNG双燃料发动机，都是改装传统柴油机。例如本文就是采用L21/31中速船舶柴油机改装的。暂时已知的柴油LNG双燃料发动机喷油策略有两种，是根据改变引燃柴油的喷射时刻来实现的。第一种是在发动机压缩行程快要结束的时候向气缸内喷入主燃料LNG，LNG在气缸内迅速气化并与缸内的空气充分混合，形成均匀混合气之后，向缸内喷入引燃柴油，这种喷油方式相当于柴油引燃均匀空气天然气混合气体。第二种喷油策略是，同样在压缩行程快要结束的时候，这次先喷入的是引燃柴油，柴油开始燃烧，待形成稳定着火源之后，喷入主燃料LNG，LNG气化在缸内开始扩散燃烧，这种喷油方式相当于柴油引燃缸内直喷LNG。但第一种方式的平均有效压力无法和传统柴油机相媲美，对发动机效率影响很大[5]。
目录
第1章 绪 论 1
1.1选题的理论意义及实用价值......1
1.2 课题发展现状及国内、外研究及发展趋势..2
1.2.1双燃料发动机喷油策略的国内外研究现状.2
1.2.2数值模拟的国内外研究现状及发展趋势 ....3
1.3本文主要的研究工作 4
第2章LNG柴油双料发动机喷油策略选择数值计算基本原理 6
2.1 基本控制方称 6
2.1.1 质量守恒定律 6
2.1.2 动量守恒方程 6
2.1.3 能量守恒方程 7
2.2 湍流扩散模型 7
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2.3 液滴破碎、撞壁、蒸发模型 8
2.3.1 液滴破碎模型 8
2.3.2 撞壁模型 10
2.3.3 蒸发模型 10
2.4 燃烧模型 11
2.5 NOx模型 12
第3章 数值模型的建立及边界条件的选择 13
3.1 燃烧室模型的建立.及原柴油机基本参数.................................................................13
3.2计算网格的建立 14
3.3基础模块的设置 16
3.3.1 计算步长的设置 16
3.3.2 边界条件的设置 16
3.3.3 初始条件的设置..................................................................................................18
3.3.4 方程的控制 20
3.3.5 松弛因子的设置..................................................................................................20
3.3.6 收敛性标准的判断.............................................................................................21
3.3.7 物质输运模块.....................................................................................................22
3.4 喷雾模块的设置 22
3.4.1燃油物性设置 22
3.4.2 喷嘴的设置 23
3.5 原柴油机数值计算模型的验证 24
第4章 喷油策略的选择 26
4.1 发动机模拟工况的选择 26
4.2不同喷油策略对缸内平均温度的影响 28
4.3不同喷油策略对缸内平均压力的影响 32
4.4不同喷油策略对NOx排放的影响 33
4.5不同喷油策略对SOOT排放的影响 34
总结与展望...............36
致谢.38
参考文献.39
. 第1章 绪 论
选题的理论意义及实用价值
柴油机的出现可以追溯到 1892 年，经过100 多年的发展，柴油机凭借其能量密度高，燃油消耗率低，经济性好，输出功率高，良好的耐久性等优点在各个领域得到广泛的应用[1]。现在世界上大部分船舶的只要动力几乎都是由柴油机提供的，柴油机占主推进装置的百分之90以上。然而，由于柴油机的使用数量日益增多，随之出现了很多问题，比如空气污染、能源危机等。传统柴油机废气中的NOx和PM是严重污染物，一定要严格控制。这些都是不仅对人体有害而且会造成严重的环境污染。所以为了满足科技的发展和社会的进步，设计研发出一种新型的高效、节能、环保的柴油机，寻找一种新燃料来代替石油就成为全球各个国家的当务之急[2]。
天然气由于其储量大，碳氢含量比较低，价格较低等优点成为当今社会公认的清洁型替代燃料。按照天然气的储存方式可以分为两种：第一种是将天然气压缩，称为压缩天然气（CNG）；第二种是采用低压低温液化储存，称为液化天然气（LNG）。传统CNG发动机已经发展了近百年，技术十分成熟，而LNG发动机是近些年来才被研制开发出来，虽然技术不够成熟，但是有很大发展空间。LNG相对于CNG有更多优点：LNG储存压力远低于CNG；LNG净化工艺要求更严格；LNG在加工过程中蕴藏了很大的冷能，气化时需要吸收大量的热能，帮助发动机进行散热使发动机保持在正常的工作温度范围内，具有一定的经济性[3]。
但由于LNG燃点较高，传统柴油机的压缩点燃方式不能达到LNG的燃点，于是人们决定研制出柴油LNG双燃料发动机，既能保证新型发动机相对于传统柴油机工作效率，性能动力不变甚至更好还能满足人们对环境保护和节约资源的要求。而要研制出这种双燃料发动机就随之出现了很多问题，例如喷油策略的选择。
LNG/柴油双燃料发动机，因为柴油燃烧排放物污染严重，所以其中柴油只是用来引燃主燃料LNG的，引燃柴油量十分少，燃料大部分依旧是LNG[4]。双燃料发动机保留原柴油机的进排气系统、柴油供给系统等结构，为了保证原柴油机的功率性能，并没有对原柴油机的内部结构进行改动，主要是将主燃料从柴油替换成LNG。
到目前为止，几乎没有公司专门生产柴油LNG双燃料发动机，都是改装传统柴油机。例如本文就是采用L21/31中速船舶柴油机改装的。暂时已知的柴油LNG双燃料发动机喷油策略有两种，是根据改变引燃柴油的喷射时刻来实现的。第一种是在发动机压缩行程快要结束的时候向气缸内喷入主燃料LNG，LNG在气缸内迅速气化并与缸内的空气充分混合，形成均匀混合气之后，向缸内喷入引燃柴油，这种喷油方式相当于柴油引燃均匀空气天然气混合气体。第二种喷油策略是，同样在压缩行程快要结束的时候，这次先喷入的是引燃柴油，柴油开始燃烧，待形成稳定着火源之后，喷入主燃料LNG，LNG气化在缸内开始扩散燃烧，这种喷油方式相当于柴油引燃缸内直喷LNG。但第一种方式的平均有效压力无法和传统柴油机相媲美，对发动机效率影响很大[5]。
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