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1、.缸内直喷低热值气体燃料发动机燃烧过程建模与仿真1.1 论文研究的背景能源和环境问题是近一个世纪人类最关心的两个问题，也是我国乃至世界各国坚持走可持续发展的重要战略问题。内燃机是石油资源的主要消耗源和大气环境5染的主要来源之一，其发展与能源形势和环境问题密切相关。我国汽车工业对石油能源的依赖性已经成为限制国民经济发展，能源安全的重要因素。世界上各国政府都在关注汽车保有量高速发展造成的大气污染问题和石油能源危机问题，一直努力地寻找解决途径，代用燃料汽车的开发成为行之有效的手段，如氢气汽车、甲醇汽车、电动汽车、气体燃料汽车等。近几年来，气体燃料发动机得到了国内外研究学者们的广泛关注。在发动机燃用气
2、体燃料研究领域，近些年来除了被称为高品质气体燃料的天然气外，低热值混合气体燃料(或称为低品质气体燃料)正在成为世界各国政府、企业及高校研究单位关注的焦点。低热值燃料的特征是:燃料组分中甲烷(CH4)含量相对较低(通常为40%一70%)，非烃气体含量较高(CO2、N2:为10%一40%);另外其热值较低，为天然气的50%左右。低热值燃气主要有以下几个来源:工业生产过程中产生的低热值燃气，如高炉煤气、炼油伴生气、瓦斯气，生物质热解气化气。这些低热值能源资源的利用是提高我国能源利用效率的重要技术途径，同时处理生产和生活的废弃物和垃圾，也有利于控制污染排放和净化生活环境。从燃料的获取来源上讲低热值混合
3、气体燃料主要由煤层气和沼气等组成。其中煤层气因开采获取方式不同又具体称为地面开发煤层气(Coal-Bed Methane；CBM)、井下抽放煤层气 (Coal Mine Methane，CMM)和报废矿井煤层气 (Abandoned Mine Methane，AMM)三种。从地面直接开采的CBM甲烷含量很高，通常在95%以上，但 CBM的开采量往往受到地质结构和开采技术的限制。而报废矿井中残存的AMM甲烷含量很低，一般在30%以下，其储藏点分散并储量少，开采成本常高于燃料利用价值，因此缺少工业应用前景。目前中国的煤层气主要是具有低热值混合气体燃料特征的CMM。低热值混合气体燃料的另一主要来源是
4、沼气。沼气是有机物在隔绝空气和一定的温度、湿度、酸碱度等条件下，经过沼气细菌作用而产生的可燃气体，是一种可再生的清洁气体燃料。开发利用低热值混合气体燃料在我国具有特殊的战略意义。我国是世界上最大的煤炭生产和一次能源消费国家，同时也是煤层气资源大国，我国煤层气资源居世界第三位，总储量与我国天然气资源量(38亿万立方米)相当，约为31亿万立方米。而在地域分布上又与天然气资源形成良好的互补性，我国煤层气资源集中在中部和东部地区，而天然气资源主要分布在西部地区。但目前我国煤层气不仅没充分发挥其资源优势，反而成为破坏生态环境和煤炭生产事故的主要来源。我国每年煤炭行业70%一80%的重大伤亡事故是由井下未
5、排出的CMM气引发的。我国是世界上最大的煤炭生产和一次能源消费国家，同时也是煤层气资源大国，我国煤层气资源居世界第三位，煤层气资源总量为30-35万亿立方米，储量与我国天然气资源量(38亿万立方米)相当，而且煤层气资源在地域分布上又与天然气资源形成良好的互补性，我国煤层气资源集中在中部和东部地区，而天然气资源主要分布在西部地区。煤层气资源的大量开采利用能够促进燃料结构调整，有助于改善煤炭安全开采，改善大气质量，是中国经济可持续发展的战略能源。由此可见，开发利用低热值混合气体燃料有利于我国优化能源结构，缓解能源紧张局面和保护环境，同时对保证煤炭生产安全和可再生能源的利用具有非常深远的社会意义。意
6、义1.2 低热值气体发动机研究现状近些年来，国内外先后开发出燃用低热值混合气体燃料的新型气体燃料发动机。奥地利Jenbacher Werke.A.G公司在上世纪90年代推出了JW208GB低热值气体燃料发动机，该机可燃用沼气，额定转速为1500r/min，额定功率为134千瓦。日本Niigata公司推出了双燃料的混合气体燃料发动机，该产品通过将少量柴油喷入缸内引燃混合气，实现了低热值混合气体燃料的稳定高效燃烧。另外，在澳大利亚、英国、俄罗斯、波兰等国低热值气体燃料发动机也得到开发应用。我国胜利油田管理局动力机械厂在2000年开发出以CMM为燃料的内燃机发电机组，尽管与国外同类发动机相比该机价格
7、较低，但其单机功率小于500千瓦，发电效率较低，时常因煤层气组分浓度变化出现燃烧不稳定及停机现象。阿拉巴马大学K.C.Midkiff研究了燃用4种不同组分配比的低热值气体燃料发动机的排放特性，发现低热值混合气体燃料组分配比对发动机的排放性能有明显影响，与天然气发动机相比，低热值混合气体燃料中的CO2:成份可使氮氧化物排放量降低。马来西亚saiful Bari等人研究了非烃气体二氧化碳对低热值气体燃料发动机性能的影响，发现CO2:体积组分量为40%左右时，发动机与天然气发动机性能接近;而采用双燃料工作模式，燃用CO2组分量为30%左右，低热值气体燃料发动机部分性能参数优于天然气发动机。Saifu
8、l Bari认为是CO2的高温分解反应生成的一氧化碳和氧气起作用加快了火焰传播速度，使发动机的燃烧过程性能得到调整优化。由于低热值混合气体燃料的着火温度高，燃烧速度低，使得低热值气体燃料发动机普遍存在着火延迟时间较长，急燃期内参与燃烧的燃料少，后燃期长和动力性降低的问题，因此探讨改善低热值混合气体燃料着火性能和提高其燃烧速度成为提升发动机性能的关键问题。瑞士工业能源试验室(LENI)Anne Roubaud等人通过改变燃烧室结构，采用预燃室实现稀当量比低热值气体燃料发动机燃烧和排放特性的明显改善。合肥工业大学左承基教授在研究火花点火式煤层气发动机时发现优化点火提前角和压缩比，可使发动机起动及怠
9、速性能稳定，带负荷工作可靠。浙江大学熊树生教授研究沼气发动机时发现选择紊流型燃烧室结构，加大缸内紊流强度，加强点火能量和增大压缩比，可有效缩短着火延迟时间。1.2.13 燃料供给系统缸内直喷的进气方式的研究现状燃料供给系统是气体燃料发动机至关重要的组成部分之一。气体燃料供气方式及控制系统将对气体燃料发动机的综合性能提高起着至关重要的作用。燃料的形成技术对后燃和压力升高率等燃烧问题也有很大影响。所以供气方式的选择在气体燃料发动机改造技术中是十分重要的环节。柴油机的燃料是在压缩行程末喷入气缸内，进气过程只有纯空气流入，所以进气系统比较简单。而燃用低热值气体燃料时，发动机在进气行程中吸入的是低热值气
10、体燃料和空气的混合气。低热值燃气燃烧难以点燃和控制，燃烧时容易出现回火或吹熄等现象，稳定燃烧不易实现。燃料喷射系统对于低热值气体燃料发动机的工作稳定性，经济性和排放性而言就更加重要，燃料喷射系统直接关系着低热值燃气发动机的工作性能，是发动机燃用低热值气体燃料成功与否最为重要的组成部分之一。发动机的供气形式主要包括进气道混合器预混合供气方式、进气道单点喷射预混合供气方式、缸外进气门处喷射供气方式以及缸内气体燃料喷射控制方式。这几种方式的特点如下:(l) 进气道混合器预混合供气方式是应用较早的方案，由于它具有汽油机的特征，以及供气装置简单，现在仍被广泛应用，它的不足之处在于即使采用电控混合器，在气
11、体燃料流量较小时也难以精确控制气体燃料的流量，而且气体燃料占据空气冲量可达10%15%，影响发动机燃烧过程和升功率。(2) 缸外进气门处喷射供气方式是将气体喷射阀安装在各缸进气道进气门处，可实现对每一缸的定时定量供气，通常称之为电控多点气体喷射系统，它可以减轻和消除由于气门重叠角存在，燃气直接逸出而导致的排放恶化和燃料浪费等不良影响。进气门处喷射由于可以由软件严格控制气体燃料喷射量和喷射时刻与进排气门及活塞运动的相位关系，易于实现定量供气和层状进气。可根据发动机转速和负荷，更准确的控制对发动机功率、效率和尾气排放有重要影响的空燃比指标，实现稀薄混合气燃烧，更进一步提高发动机的动力性、经济性，以
12、改善排放特性。当然它也有缺点，即气体燃料和空气没有充足的时间形成均匀的混合气。(3) 缸内气体燃料喷射方式。缸内喷射方式又分为高压缸内喷射和低压缸内喷射两种。高压喷射是在压缩冲程的末端将气体燃料喷射入燃烧室，需要很高的压力。气体燃料不是在进气道与空气预先混合，而是在压缩冲程中活塞接近上止点时直接以很高的压力喷射到气缸内的空气中。燃料气流和气缸中的空气充量的混合速度由燃料的喷射过程及燃烧来进行控制。由于压缩过程中不存在燃料和空气的预混合，消除了爆震的可能性。从充气效率的角度来看，缸内高压喷射对于空气充量几乎没有影响，克服了缸外进气道喷射充气效率降低的缺点，为进一步完善发动机的各项性能提供了极为有
13、利的条件。而低压喷射只是在吸气冲程将气体燃料喷入缸内。在进气门关闭后，将气体燃料喷入气缸，在着火之前形成均质的预混合气并采用电火花点火或喷入少量引燃油使混合气燃烧。因为气体燃料是在进气门关闭后喷射，因而喷射压力比较低，通常在0.2-1MPa，但与进气道喷射压力相比，还是比较高的。这种方式避免了气体燃料在进气混合时占有一定体积的缺陷，使进气充量提高。但是，低压缸内直喷发动机的压缩比比较低，限制热效率进一步提高。另外，由于仍然需要采用节气门通过节流作用调节发动机的充量，在中小负荷时节流损失大。本研究采用的是缸内直喷的进气方式，缸内喷射方式具有和缸外喷射供气方式相同的优点，它对空气充量几乎没有影响，
14、能部分地恢复气体燃料发动机的功率，但其系统结构复杂，需对发动机燃烧系统做较大的改动，同时使喷射阀处于极恶劣的工作环境，对喷射阀的密封、润滑和可靠性提出很高的要求。2.21.4内燃机燃烧过程仿真现状概述 内燃机燃烧过程决定了内燃机的经济性和动力性，并对燃烧噪声和排放有重要影响。因此研究燃烧过程有极其重要的意义。但内燃机燃烧过程是一个极为复杂的过程，它受到化学反应动力学、流体力学、传热学和热力学等定律的支配。内燃机的燃烧还带有许多本身固有的特点，如燃烧室形状比较复杂，燃烧是在高压和非稳态条件下进行，发生于一个三维的、与时间有关的、其化学反应机理还不十分清楚的系统中，这些增加了研究中的困难。近年来，
15、由于先进测试技术如高速摄影和取样、激光技术以及计算机的运用，燃烧过程的研究正在取得较大的进展。自60年代后，由于计算机的广泛应用，使得对燃烧过程进行模拟计算成为可能，在模拟的条件下，用一些数学模型预测发动机特性。这个模型变化多种多样，经过几十年的发展，各种描述燃烧过程的模型层出不穷，其中有的模型已日趋完善。“仿真”一词源自英语，Simulation，有时也译为“模拟”。仿真是对真实系统(物理系统)在不失其物理本质特征的前提下所作的一种合理简化与高度概括。计算机仿真是在计算机上通过系统模型去模拟一个实际存在或正在设计中的真实系统，以再现(可视化)或分析(数值计算)真实系统的本质特征，其过程就是一
16、个建立模型、运行模型和分析模型的过程。计算机仿真于20世纪40年代首先应用于航空、航天，并很快向其他领域、学科扩展，目前己普遍应用于科学研究、生产组织、工程设计、经济调控及社会发展等各个方面。随着现代科学技术的不断进步，计算机仿真技术必将得到进一步的发展，在工程上发挥越来越重要的作用。内燃机缸内工作过程的仿真计算属计算流体力学(CFD)的范畴。其缸内工作过程伴随着极其复杂的流体运动，不仅有气体的流动，还包括喷油过程、雾化、蒸发及燃烧过程，并且随着活塞运动和进排气阀的运动，流体边界和边界条件都处于快速的变化过程中，要想利用计算机完全重现内燃机的全部工作过程相当困难。1.4.1内燃机燃烧数值模拟与燃烧模型内燃机的燃烧模拟是整个内燃机工作循环模拟的中心环节。即使在常规的火花点火式内燃机中，很多模型假定燃料和空气是预混合的，燃烧过程仍然是在一个三维的随时间变化的紊流中发生的，燃料由几百种不同的有机化合物混合而成，其燃烧化学特性所知不多，而且发生燃烧的燃烧室其形状随时间而变，
