进气温度和引燃油量对双燃料船机失火现象的影响.pdf
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1、燃烧科学与技术 Journal of Combustion Science and Technology 2023,29(5):):527-535DOI 10.11715/rskxjs.R202308022 收稿日期:2022-04-06 基金项目:工业与信息化部高技术船舶科研项目船用低速机工程(一期)(C02017036).作者简介:刘宗宽(1992),男,博士研究生,.通信作者:周 磊,男,博士,副教授,.进气温度和引燃油量对双燃料船机失火现象的影响 刘宗宽1,周 磊1,贾 滨2,李 潇1,卫海桥1(1.天津大学先进内燃动力全国重点实验室,天津 300072;2.天津内燃机研究所,天津 3
2、00192)摘 要:针对天然气-柴油双燃料低速机低负荷工况的失火现象,运用 CONVERGE 模拟研究了进气温度和引燃油量对失火工况下缸内着火及燃烧过程的影响,并结合正庚烷低温反应路径分析了缸内关键组分的变化结果表明:进气温度提高,缸内平均温度和平均压力均升高,甲烷消耗速率增加,进气温度为 335 K 时,甲烷完全消耗,失火现象消失;引燃油量增加使缸内甲烷/空气混合气燃烧更加剧烈,缸内平均温度和压力均升高,引燃油比例超过 1.5%时,缸内甲烷完全燃烧,发动机经历从失火到正常燃烧的转变此外,提高进气温度和增加引燃油量均会增强正庚烷的高温反应,使其燃烧更加剧烈,故引燃油的引燃效果增强,有利于甲烷着
3、火燃烧 关键词:双燃料低速机;失火现象;进气温度;引燃油量;低温反应路径 中图分类号:TK431 文献标志码:A 文章编号:1006-8740(2023)05-0527-09 Effects of Intake Temperature and Pilot Fuel Amount on Extinction Phenomenon of Dual-fuel Marine Engine Liu Zongkuan1,Zhou Lei1,Jia Bin2,Li Xiao1,Wei Haiqiao1(1.State Key Laboratory of Engines,Tianjin University,
4、Tianjin 300072,China;2.Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute,Tianjin 300192,China)Abstract:To avoid the extinction phenomenon of natural gas-diesel dual fuel marine engine under low engine loads,a numerical study was performed to investigate the effects of intake temperature and pilo
5、t fuel amount on the ignition and combustion process of dual-fuel engine using the CONVERGE software under extinction condi-tions.The variation of key species in the cylinder was analyzed based on the n-heptane low-temperature reaction pathway.The results show that both the in-cylinder mean temperat
6、ure and mean pressure increase with the increase of intake temperature,and the consumption rate of CH4 also increases.At the intake temperature of 335 K,the CH4 combusts completely,indicating the disappearance of extinction.Moreover,the combustion intensity of CH4/air mixture increases with the incr
7、ease of pilot fuel amount,leading to the increase of mean pressure and tem-perature.The complete combustion of CH4 in the cylinder was observed when the proportion of pilot fuel is higher than 1.5%,which means that the engine undergoes a transition from extinction to complete combustion.Further-more
8、,the increase of intake temperature and pilot fuel mass can improve the high temperature reaction of n-heptane,leading to the enhancement of n-heptane combustion.Thus,the ignition energy provided by the pilot fuel is enhanced,which benefits the ignition and combustion of CH4.燃烧科学与技术 第 29 卷 第 5 期 528
9、 Keywords:dual-fuel low-speed engine;extinction;intake temperature;pilot fuel amount;low-temperature reaction pathway 天然气因具有高经济性和燃烧清洁性,被认为是一种非常有潜力的内燃机替代能源1-3 低压模式的双燃料船用发动机是天然气在低速机中一种经典的应用,其工作原理是低压天然气在压缩行程喷入气缸并与空气混合,然后在上止点附近被高压喷入的柴油引燃4 研究表明,天然气和柴油组合使用的发动机NOx排放量仅有普通柴油机的 10%左右,硫化物和颗粒物的排放更是低于 5%5-7 因此,双
10、燃料船用低速机无需或只需简单地增加排放后处理技术就很容易满国际海事组织 Tier 排放要求8 但是,由于天然气着火温度较高,燃烧速率较慢,导致天然气双燃料发动机在低负荷下燃烧稳定性差,易出现不完全燃烧或失火现象 失火是发动机中不正常的燃烧现象之一 发动机中的失火现象可以定义为缸内燃烧不充分、不完全燃烧、燃烧稳定性极差以及着火失败等9-10 另外,失火现象的最直观表现是循环波动突然变大、缸压明显降低、放热率明显降低以及排气出现未燃燃油等 失火发生时,发动机动力性能和排放性能均变差,故开展双燃料发动机着火/失火特性的相关研究十分重要 Imran 等11运用单缸发动机研究了天然气和引燃柴油的掺比对混
11、合气着火特性的影响 研究表明,甲烷的加入会使混合气的着火延迟期变长,但增加引燃油量会使着火延迟期缩短 Maghbouli 等12使用 CFD软件开展了对天然气/柴油双燃料发动机着火及燃烧特性的数值研究,发现引燃油量增加会缩短着火延迟期和提高峰值压力 此外,Bahri 等13在 HCCI 发动机上对失火现象开展研究,分析了失火现象对发动机排气浓度和运行状况的影响,发现在不同喷射定时下,失火的发生和缸内压力的波动存在密切的关系 Gatts 等14在添加 H2/CH4的重型柴油机中研究了发动机负荷和转速对氢气和天然气燃烧状况的影响,研究发现,发动机负荷是影响气体燃料是否完全燃烧的主导因素 Abd 等
12、15针对双燃料发动机低负荷时存在的低热效率和不完全燃烧现象,在单缸机中研究了引燃油喷射定时对发动机性能的影响,发现提前喷射引燃油可提高效率并改善排放性能 分析发现,目前对双燃料低速机着火特性的研究相对有限,对失火现象的研究更为缺乏 为提高双燃料发动机的燃烧稳定性,避免失火发生,笔者创新性地以带有预燃室的实际双燃料低速机为模型,采用三维数值模拟的方法,研究了进气温度和引燃油喷射量对失火工况下缸内着火/失火及燃烧特性的影响 研究中以甲烷和正庚烷(nC7H16)分别作为天然气和柴油的替代物,结合正庚烷的低温反应路径,分析了不同初始条件下正庚烷相关组分的变化 结果可为分析双燃料低速机的着火及燃烧过程、
13、提高双燃料低速机的燃烧稳定性以及制定失火的抑制策略等提供重要的理论依据 1 三维模型的建立与验证 1.1 模型建立 模拟研究中采用的三维几何模型基于瓦锡兰双燃料低压喷射模式发动机 Wrtsil 6RT-flex50B 建立,该天然气/柴油双燃料发动机是一台二冲程直流扫气且带有预燃室的船用低速发动机,表 1 给出了其部分结构及实验参数,具体的几何参数可见文献16.表 1 低速发动机结构参数 Tab.1 Technical specification of low-speed engine 参数 指标 缸径/mm 500 行程/mm 2 050 转速/r/min 102 喷油时刻/(CA)-8.5
14、 喷油量/mg 227 天然气喷射量/g 22.1 引燃油比例/%0.97 根据双燃料发动机的工作原理可知,低压喷射的天然气在压缩行程进入气缸并先与空气混合,当活塞运行至上止点附近时,高压喷入预燃室的微量引燃柴油将天然气引燃,完成燃烧做功 如图 1 所示,在发动机缸盖设置了两个预燃室,并且每个预燃室配有一个喷油器 此外,为更好地捕捉缸内的温度、压力等参数的变化过程,在预燃室和主燃烧室内均设置了监测点 研究选用 Liu 等17开发的 44 组分正庚烷简化机理,包括正庚烷自燃、高温化学以及甲烷氧化动力学 研究表明,该机理不仅能够表征正庚烷的着火、燃烧特征,而且可以准确描述甲烷/空气预混合火焰的传播
15、过程18 刘宗宽等:进气温度和引燃油量对双燃料船机失火现象的影响 燃烧科学与技术 529 (a)预燃室形状示意 (b)主燃烧室内监测点位置示意 图 1 预燃室及主燃烧室内监测点设置示意 Fig.1 Schematic of monitoring point setting in pre-chamber and main combustion chamber 1.2 模型验证 三维几何模型建立以后,导入 CONVERGE 软件中自动生成网格,基础网格的尺寸为 2cm,并添加基于速度和温度的自适应 2 层加密方式 此外,对预燃室、气缸上部、扫气箱以及天然气喷射分别添加了 3层 固 定 加 密 完
16、成 边 界 条 件 设 置 以 后,对CONVERGE 中的数值模型进行了验证 将模拟的瞬时放热率和缸内压力与实验值进行了对比 如图 2所示,缸内压力曲线吻合较好,说明该模型可准确预测缸内的压力变化 虽然模拟的瞬时放热率峰值相对较高且放热持续期较短,但误差在可以接受的范围之内 此外,还对比了总放热量、爆压、爆压角以及单位功率下的氮氧化物排放量的实验值和模拟值,发现其误差均小于 3.5%,见表 2 综上所述,该数值模型能较好预测实验值,相关研究具有可靠性 此外,三维数值模拟研究中选用的各子模型分别为 SAGE 燃烧模型、KH-RT 喷雾模型、RNG k-湍流模型 图 2 缸内压力和瞬时放热率模拟
17、值与试验值对比 Fig.2 The comparison of simulated and experimentalvalues of in-cylinder pressure and heat release rate表 2 模拟值与实验值误差 Tab.2The error between simulated and experimental values 参数 总放 热量/J 爆压/MPa 爆压 角/CA 氮氧化物排放/(g(kWh)-1)试验值1 138 32812.121 369.0 1.020 模拟值1 106 85012.525 369.4 1.028 误差 2.76%3.33%0
18、.11%0.78%2 结果与分析 双燃料发动机运行在中、低负荷区间时,由于采用稀薄燃烧技术,气缸内甲烷当量比较低,在降低缸内燃烧温度的同时会使发动机燃烧稳定性变差,易出现不完全燃烧和燃烧不充分现象,导致失火现象发生 笔者基于甲烷当量比为 0.3 的失火工况,分析了进气温度和引燃油量对缸内着火及燃烧过程的影响.2.1 进气温度的影响 双燃料低速二冲程发动机的扫气过程对缸内混合气的着火及燃烧至关重要 同时,进气温度的改变直接影响引燃油的着火延迟期和氧化反应机制 为探究进气温度对缸内失火现象的影响,本小节基于天然气/空气当量比为 0.3 的失火工况,研究了进气温度分别为 310K(基准工况)、335
19、K、360K、400K 时缸内着火燃烧过程及正庚烷反应路径中相关组分的 变化 根据先前研究可知,进气温度为 310K 时缸内平均压力和平均温度均明显降低,缸内燃烧过程严重恶化,且在缸内发现残余甲烷,说明燃料不完全燃烧,发生失火,如图 3(a)、(b)所示 随着进气温度的提高,缸内平均压力和平均温度呈增加趋势,说明缸内的燃烧过程得到改善 同时,当进气温度从 310K 增加到 335K 时,缸内平均压力和温度均明显增加,然而进一步增加进气温度到 360K 时,缸内平均压力和温度的增量较小;当进气温度到达 400K 时,缸内平均压力和温度峰值再次明显增加且相位提前,并且压力升高率和温度升高率变化明显
20、,说明初始温度在不同的区间时,缸内混合气的燃烧强度存在很大差别 图 4 为不同进气温度下预燃室及其出口附近的甲烷分布云图 分析可知,在引燃油喷射之前的 351A 时刻,进气温度为 360K 和 400K 的工况预燃室内的甲烷含量明显减少,说明甲烷在引燃油喷入前发生了的自燃 随着引燃油的喷入,引燃油首先在预燃室内着火然后引燃甲烷,故预燃室及其出口附近的甲烷最先开始消耗 随着反应进行,在 369CA 时刻,进气温度为 400K 的工况甲烷就基本耗尽,说明进气燃烧科学与技术 第 29 卷 第 5 期 530 温度的提高可提高甲烷的消耗速率,意味着燃烧更加剧烈 (a)平均压力 (b)平均温度 图 3
21、不同进气温度下缸内平均压力和平均温度的变化 Fig.3 Variation of mean pressure and mean temperature in the cylinder at different intake temperatures 图 4 不同进气温度下预燃室及出口附近的 CH4分布云图 Fig.4 CH4 distribution cloud map in pre-chamber and the outlet of pre-chamber at different intake temperatures 图 5 展示了缸内甲烷质量的变化曲线 可以看出,随着进气温度的增加,甲
22、烷的不完全燃烧现象消失,当进气温度高于 335K 时,缸内几乎没有甲烷剩余 同时,甲烷消耗速率整体上随进气温度的增加而增加 但值得注意的是,甲消耗速率的变化是非线性的 进一步分析进气温度为 335K、360K 和 400K 等3 个工况,在 364CA 时刻之前,进气温度为 335K的工况下甲烷的消耗速率最快,而超过 364CA 时刻 图 5 不同进气温度下缸内甲烷质量的变化曲线 Fig.5 Variation of CH4 in the cylinder at different intaketemperatures 时,进气温度为 400K 工况的甲烷消耗速率最快,并且在 372CA 时刻
23、以后,进气温度为 335K 的工况甲烷消耗最为缓慢 为解释上述现象,选取预燃室内#40 监测点,其位置如图 6 所示,绘制不同初始温度下预燃室内瞬时温度的变化曲线,如图 7(a)所示 可以发现,在引燃油的喷射时刻(351.5CA),预燃室内瞬时温度随进气温度的增加而增加,当进气温度为 400K 时,瞬时温度超过 1000K,然而当进气温度为 310K 和 335 K时,瞬时温度低于 900 K 结合图 7(b)可知,甲烷当 图 6 预燃室内#40监测点位置示意 Fig.6 Schematic diagram of#40 monitoring point setting 刘宗宽等:进气温度和引燃
24、油量对双燃料船机失火现象的影响 燃烧科学与技术 531 量比处于 00.5 之间且初始温度大于 900K 时,正庚烷氧化过程中的负温度系数(negative temperature coefficient,NTC)现象出现 此时,正庚烷低温反应通道的强度逐渐减弱,关键组分的高温裂解反应和 裂解反应逐渐增强,导致系统反应活性降低,滞燃期变长;而当初始温度高于 1050K 时,正庚烷高温反应占据主导地位,反应强度明显增加,导致滞燃期再次下降19 (a)预燃室内瞬时温度 (b)甲烷/正庚烷混合物滞燃期 图 7 不同进气温度下预燃室内的瞬时温度和不同甲烷当量比下甲烷/正庚烷混合气滞燃期的变化曲线 Fi
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