甲醇燃料低速机性能仿真研究.pdf
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1、第 44卷 第 4期2023年 8月Vol.44 No.4August 2023内燃机工程Chinese Internal Combustion Engine Engineering甲醇燃料低速机性能仿真研究夏倩1,2,刘锋华3,彭辉4,钱跃华1(1.中船动力研究院有限公司,上海 201208;2.上海海洋动力工程技术研究中心,上海 201208;3.沪东重机有限公司,上海 200129;4.上海中船三井造船柴油机有限公司,上海 201306)Simulation Study on Performance of A Low Speed Methanol EngineXIA Qian1,2,LI
2、U Fenghua3,PENG Hui4,QIAN Yuehua1(1.China Shipbuilding Power Engineering Institute Co.,Ltd.,Shanghai 201208,China;2.Shanghai Engineering Research Center of Ocean Power,Shanghai 201208,China;3.Hudong Heavy Machinery Co.,Ltd.,Shanghai 200129,China;4.CSSCMES Diesel Co.,Ltd.,Shanghai 201306,China)Abstra
3、ct:Based on a low speed diesel engine,the diesel in-cylinder combustion model was established with CONVERGE software,and the model calibration was carried out according to the test data.Based on the calibrated diesel combustion model,three methanol injectors and three diesel pilot injectors were ins
4、talled in the cylinder head.Each methanol injector and each diesel pilot injector were installed at an angle of 30.The combustion model of diesel pilot ignition methanol was established.Under 100%load,the effects of the size of methanol injection holes and the timing of diesel pilot injection on eng
5、ine ignition and combustion process were studied.The results show that the peak firing pressure is similar to the diesel engine when the methanol injection duration is 25.Under the condition of unchanged methanol injection timing,the overall engine performance decreases with the decrease of the adva
6、nce angle of fuel injection timing,but the decrease range is small.摘要:基于某型低速柴油机,利用 CONVERGE 仿真软件建立了柴油模式缸内燃烧模型,并根据试验数据进行了燃烧模型标定。在标定的柴油模式缸内燃烧模型的基础上,将 3 个甲醇喷射器和 3 个引燃柴油喷射器安装在缸盖上,每个甲醇喷射器与引燃柴油喷射器成 30夹角安装,开展了柴油引燃甲醇燃烧模式缸内燃烧模拟,在 100%负荷下研究了甲醇喷射器喷孔大小、引燃柴油喷射正时对发动机着火及燃烧过程的影响及与原柴油模式的对比。研究表明:甲醇喷射持续期为25时,可以得到与原柴油机
7、相近的缸内峰值压力水平;甲醇喷射正时不变的情况下随着引燃油喷射正时的提前角减小,发动机整体性能呈下降趋势,但下降幅度较小。关键词:甲醇;低速机;柴油引燃;燃烧;排放Key words:methanol;low speed engine;diesel fuel pilot ignition;combustion;emissionDOI:10.13949/ki.nrjgc.2023.04.001中图分类号:TK46+4文章编号:1000-0925(2023)04-0001-08440041收稿日期:2022-10-11修回日期:2022-12-05基金项目:工业和信息化部高技术船舶科研项目(CBG
8、5N2111);中船集团自立科技研发专项项目(202123J2);上海海洋动力工程技术研究中心项目(20DZ2253400)Foundation Item:High-Tech Ship Scientific Research Project of the Ministry of Industry and Information Technology(CBG5N2111);Independent Technology Research and Development Project of CSSC(202123J2);Project of Shanghai Engineering Researc
9、h Center of Ocean Power(20DZ2253400)作者简介:夏 倩(1981),女,研究员级高级工程师,主要研究方向为新燃料低速机开发,E-mail:。2023年第 4期内燃机工程0概述在双碳目标背景下,国内外船用动力产业都面临碳减排趋势下的技术转型。从长远来看,化石燃料将逐步被低碳、零碳燃料替代。船舶采用替代燃料是符合硫氧化物(SOx)和氮氧化物(NOx)排放控制区(emission control area,ECA)要求的解决方案之一。液化天然气是第一个在航运中广泛采用的替代燃料,液化石油气、甲醇和各种类型的生物燃料也正在研究和测试中。任何新燃料的采用都受到燃料价格发
10、展、技术、监管、可获得性和基础设施发展的驱动 1。甲醇燃料含氧,辛烷值高,燃烧速度快,是一种优良的代用燃料,应用在内燃机领域中有着独特的优势2。甲醇发动机有较高的经济性和动力性,且排放低。充分发挥甲醇发动机的优势,开发甲醇发动机具有重要的社会意义和经济意义3。甲醇缸内直喷法具有很多优点,低负荷下能够避免低效燃烧,高负荷下能够避免粗暴燃烧,能够实现甲醇高替代率和低污染物排放,对其进行研究具有非常重要的意义4。关于甲醇驱动的大型二冲程船用发动机的已发表文献很少。文献 5 中研究表明,在柴油先导喷射的帮助下,甲醇模式运行是可行的。据报道,与纯柴油 运 行 相 比,甲 醇 模 式 运 行 的 NOx和
11、 烟 尘 排 放更低6。文献 7 中研究了稀薄燃烧条件下喷油时刻和点火时刻对甲醇发动机分层混合燃烧、排放特性的影响,研究表明,存在一组最佳的喷油和点火时刻方案,在该方案下可获得缸内压力峰值、放热率峰值等,且此方案下一氧化碳(CO)、未燃甲醇和碳氢化合 物(HC)排 放 最 低,一 氧 化 氮(NO)排 放 较 高。文献 89 中对直喷式双火花塞同步点火甲醇发动机的混合气体浓度分布、燃烧和排放特性进行了数值研究,研究表明,随着点火延迟期的增加,未燃甲醇排放显著增加,NOx排放迅速下降。文献 10 中开展了点 火 时 刻、废 气 再 循 环(exhaust gas recirculation,EG
12、R)率及过稀混合气 3 种因素对降低 NOx排放的影响研究,结果表明,随着点火时刻的推迟,NOx和 HC排 放 减 少,排 放 温 度 升 高,而 CO 排 放 先 减 少 后增加11。甲醇燃料低速机可以助力航运业实现碳中和,用户接受度高,市场前景广阔,但是国内市场尚无成熟甲醇燃料低速机产品。在碳中和大背景下,甲醇燃料低速机研发需求迫切。突破甲醇燃料低速机燃烧组织技术,形成应对未来双碳目标要求的船用甲醇燃料低速机解决方案,可为后续工程化应用奠定技术基础。本文中提出的燃烧系统方案,采用两种喷射器分别向缸内喷射柴油和甲醇燃料,为了获得优化的甲醇低速机的性能,基于某型低速柴油机,运用 CONVERG
13、E 仿真软件开展了甲醇燃料低速机燃烧性能仿真研究,分析了甲醇燃料喷射参数变化对燃烧的影响和发动机性能参数的变化。研究发现,由原柴油燃料改为甲醇燃料后,甲醇燃烧的整机性能可以达到原柴油机的水平,此方案可为甲醇燃料在低速机中的应用提供参考。1甲醇燃料低速机仿真模型的建立基于甲醇和柴油缸内双直喷形式,探究了柴油/甲醇双燃料机在不同燃料喷射策略下的表现。其具体实现方式是在原柴油机气缸盖上布置一套燃油喷射器(3 个燃油喷射器)和一套甲醇喷射器(3 个甲醇喷射器),分别用来喷射引燃柴油和甲醇,实现甲醇在燃烧室内的扩散燃烧。其优势是可在高压缩比下运行,热效率较高,运行成本较低,且发动机改动较小,可靠性高。1
14、.1发动机基本参数低速机仿真几何模型包括扫气箱、缸盖、缸套、活 塞、排 气 道、排 气 门 及 喷 油 器,基 于 仿 真 软 件CONVERGE 对发动机单缸进行建模,三维几何模型如图 1 所示。180曲轴转角为下止点时刻,360曲轴转角为上止点时刻12。发动机基本参数如表 1 所示,本研究中保持发动机原柴油模式压缩比不变。图 1计算域示意图表 1发动机基本参数项目冲程数目燃料缸径/mm行程/mm压缩比标定转速/(r min-1)参数2柴油5202 65821.8103 2内燃机工程2023年第 4期1.2初始及边界条件模型标定基于发动机标定转速、100%负荷,将所述工况试验测得的数据及利用
15、一维性能仿真得到的初始及边界条件导入到 CONVERGE 三维模型中,具体参数如表 2、表 3 所示。本次三维计算为全循环过程模拟,计算过程为 360,计算始点为排气门开启时刻,到下一次排气门开启结束,即 110470。1.3网格及子模型设置考虑到低速二冲程柴油机尺寸大的特点,经网格适应性分析,综合考虑计算时间与计算精度的要求,本模型采用 4.0 cm 基础网格结合 2 级固定加密、2 级自适应加密的网格策略,最小网格尺寸为 2.5 mm,网格加密策略如图 2 所示。此网格模型为一个成熟的模型,已有较多学者在此模型上进行了大量研究,对于基础网格尺寸、网格加密策略等已做了最合理选择,因此本文中直
16、接参考了文献 13 中的网格设置,未重复进行网格验证。在模拟研究中采用了表 4 所示的物理化学模型,以描述气体的流动及燃料的破碎、雾化、燃烧等。1.4化学反应动力学机理化学反应动力学不仅要研究化学反应内外因对化学反应速率与过程的影响,还要揭示其宏观与微观的机理,建立总反应与基元的理论。目前甲醇氧化反应机理研究应用最广泛的是文献 23 中的甲醇化学反应机理,但是由于其机理设计的物质和基元反应过多,对计算硬件条件要求很高,限制了其在工程应用中的推广。文献24 中基于解耦法构建了燃料的化学反应机理,机理的核心来源于文献 25 中提出的甲醇详细反应机理,在此基础上,将极为简化的 C2C8 分子的反应机
17、理添加到上述的甲醇机理中,从而构成了包括 53 个组分和176 个反应的反应机理。通过大量的验证对比发现,该反应机理能够较为准确地描述正庚烷、异辛烷、甲醇单一组分,或者是其中两者乃至三者混合燃料的点火及燃烧特性。1.5模型的标定燃烧仿真模型标定针对发动机柴油模式标定工况(100%负荷)和低负荷工况(25%负荷)进行全循环瞬态模拟。模拟与试验得到的缸压及放热率的结果对比如图 3 所示。由图 3 可以看出压缩压力、最高燃烧压力及放热率的试验值与模拟曲线吻合较好,模型能够可靠地重现试验结果,可用于下一步研究。表 2仿真模型初始条件项目缸内压力/MPa缸内温度/K缸内组分质量分数/%扫气道压力/MPa
18、扫气道温度/K排气道压力/MPa排气道温度/K排气道组分质量分数/%CO2H2ON2O2CO2H2ON2O2参数1.491 1000.097 50.045 60.745 60.113 50.563221.491 1000.097 50.045 60.745 60.113 5表 3仿真模型边界条件项目扫气箱空气压力/MPa扫气箱空气温度/K扫气箱壁温/K排气道排气压力/MPa排气道排气温度/K排气道壁温/K排气门底壁温/K排气门杆壁温/K缸套壁温/K缸盖壁温/K活塞壁温/K参数0.503003220.46725573673523443573623表 4仿真使用的主要子模型模型名称湍流模型液滴破碎
19、模型液滴碰撞模型液滴附壁模型壁面传热模型蒸发模型燃烧模型NOx模型碳烟模型子模型RNG k-模型14KH-RT模型15NTC碰撞模型16Wall film 模型17O Rourke and Amsden模型18Frossling 模型19SAGE 模型20Extended Zeldovich 模型21Hiroyasu 碳烟模型22图 2模型网格策略 32023年第 4期内燃机工程2算例设置原低速柴油机燃油喷油器布置如图 4 所示。每隔 120布置一个喷油器,3 个喷油器相向布置,三者与竖直方向夹角分别为 180、60、60,指向燃烧室中心。设计的甲醇/柴油双燃料发动机在原机柴油喷射器位置布置甲
20、醇燃料喷射器,布置示意图如图 5所示。按图 5(a)所示位置,与甲醇喷油器间隔 30布置柴油喷射器,柴油喷射器与甲醇喷油器交叉。柴油喷射器与原柴油机燃油喷射器相同,在甲醇模式时用于引燃柴油喷射。由原柴油机转换为甲醇/柴油双燃料机,两种燃料替换的基本思路为:保证替代后的引燃油与甲醇的热值总和与原机柴油的热值相等。初步确定引燃柴油和甲醇燃料的能量占比为柴油占比 5%,甲醇占比 95%。甲醇喷油器设置为五孔形式(各孔径不同),并根据甲醇喷射量、甲醇喷射器喷孔位置等对各个孔径进行了合理调整。在标定工况 100%负荷下研究了甲醇喷射持续期和引燃柴油喷射正时变化对发动机着火及燃烧过程的影响,并与原柴油模式
21、进行了对比。其中甲醇喷射持续期变化通过保持甲醇喷射压力不变而调整甲醇喷射器喷孔孔径实现;引燃油喷射正时变化通过改变喷射开始时间实现,引燃油喷射持续期保持不变。初步设计了表 5 所示的 3 种对比方案,其中方案 1 与方案 2 对比了甲醇喷射器喷孔大小对燃烧的影响,方案 2 与方案 3 对比了引燃柴油喷射正时变化对燃烧的影响。图 5双燃料(甲醇+柴油)喷嘴布置示意图图 4原低速柴油机燃油喷油器布置示意图图 3柴油模式的试验缸压和放热率与仿真计算结果对比 4内燃机工程2023年第 4期3计算结果分析3.1缸内燃烧温度分析图 6 为不同曲轴转角下 3 种方案的缸内温度云图。从图 6 中可以看出,3
22、种方案下引燃油都可以达到引燃缸内甲醇的目的。方案 1 的甲醇喷射器喷孔总面积比方案 2 和方案 3 大,甲醇喷射持续期短。对比在 368388期间缸内的温度变化可以明显地看出,在此 20燃烧持续期内,方案 1 中甲醇火焰发展更为快速,高温区域更广。方案 2 与方案 3 的引燃油喷射正时不同,随着引燃油喷射正时推迟,引燃油与甲醇喷射间隔缩短,引燃油火焰的发展不充分,使得甲醇的起燃时刻有所延后。3.2甲醇喷射器喷孔大小对性能的影响通过对比表 5 所示的方案 1 和方案 2,探究了在甲醇、柴油喷射正时及喷射压力不变的情况下,甲醇喷射器喷孔大小(总面积)对发动机缸压、放热率的影响,并与原纯柴油机进行对
23、比。图 7 为不同甲醇喷射持续期下的缸压曲线。从图 7 中可以看出,甲醇喷射器喷孔大小(总面积)对燃烧过程影响显著,在喷入缸内的甲醇量固定且喷射压力固定的情况下,随着甲醇喷射器喷孔通流面积减小,甲醇喷射持续期增大,缸内峰值压力呈现明显的下降趋势。这主要是因为甲醇喷射器喷孔大,喷孔通流面积大,在相同喷射量和喷射压力的情况下,甲醇喷射持续期缩短,短时间内甲醇喷雾在缸内快速与空气混合形成可燃烧混合气,影响燃烧重心的位置。方案 1 甲醇喷射器喷孔大,通流面积大,甲醇喷油持续期为 20,此时缸内峰值压力达到 22 MPa,明显高于柴油原机缸内峰值压力水平;通过调整甲醇喷射器喷孔孔径,使甲醇喷射持续期增加
24、至 25(方案 2),缸内峰值压力降低为 20 MPa,略高于柴油原机。图 6不同曲轴转角下 3 种方案的缸内温度云图表 53 种甲醇喷射器方案的参数对比项目方案名称运行模式能量分配甲醇喷射器数量/个甲醇喷射器喷孔数量/个甲醇喷射器各喷孔直径/mm单个喷射器喷醇量/g甲醇喷射压力/MPa甲醇喷射正时/()甲醇喷射持续期/()引燃油喷射正时/()引燃油喷射持续期/()甲醇温度/K燃油温度/K参数方案 1甲醇模式(柴油引燃甲醇)5%柴油、95%甲醇351.22、1.48、1.44、1.32、1.1145.2160360203555313313方案 21.09、1.32、1.29、1.18、1.00
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