一种双燃料发动机额定工况NOx排放及爆震燃烧控制策略制造技术

本发明专利技术涉及一种双燃料发动机额定工况NO

【技术实现步骤摘要】
一种双燃料发动机额定工况NOx排放及爆震燃烧控制策略
双燃料发动机尾气排放控制研究领域，尤其涉及一种双燃料发动机额定工况NOX排放及爆震燃烧控制策略。
技术介绍
现代内燃机需要满足严格的排放标准与良好的燃烧性能，前者主要包括氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）、碳氢化物（HC）、碳氧化物（CO）等，后者主要一项是避免爆震燃烧，以防对发动机活塞及汽缸盖等结构造成损坏。良好的燃料喷射策略是降低排放物与避免爆震燃烧的关键。本专利针对一种6L型柴油/天然气双燃料发动机额定工况下氮氧化物（NOx）的排放以及爆震燃烧，提供理论设计与CFD数值模拟相结合的方法进行控制策略的设计，两者分析结果可以相互验证，并对NOx排放以及爆震燃烧控制策略的效果进行评估，得出一般性的结论。对于研究双燃料发动机额定工况NOX排放及爆震燃烧控制策略的制定具有深远意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种双燃料发动机额定工况NOX排放及爆震燃烧控制策略，采用理论设计与CFD数值模拟相结合的方法进行方案设计，两者的结果可以相互验证，且对NOX的排放以及爆震燃烧控制策略的效果进行评估，并得出一般性的结论。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：一种双燃料发动机额定工况NOX排放及爆震燃烧控制策略，其创新点在于：在额定工况下，采用油气共用喷射器，根据柴油与天然气不同的燃烧特性，采用理论设计与CFD数值模拟相结合的方法对排放控制策略进行设计，两者的结果可以相互验证，且对排放控制策略的效果进行评估，并得出一般性的结论；具体控制策略如下：S1：燃烧方式的确定：针对双燃料发动机的额定工况，为了满足天然气与柴油的相互耦合，实现缸内混合气浓度与燃料成分的可控分层分布，兼具扩散燃烧与均质火焰传播，采用分层压燃模式；S2：喷射方案的确定：采用的油气共用喷射器，分别连接到供油管路以及供气管路，所能提供的柴油喷射压力为80~140MPa,天然气喷射压力为12~16MPa；油气共用喷射器连接到双燃料ECU上；相应的燃料喷射方案为柴油单次喷射，天然气采用少量第一次喷射与多量第二次喷射策略，且均采用缸内高压直喷的方式；S3：相关燃料喷射参数的选取：在确定燃烧方式以及喷射方案的基础上，结合发动机实际工况及其特点，选取合适的柴油替代率和EGR率，并根据额定工况下所需燃料热值基本不变的原则，进而计算出引燃柴油和天然气的量，接着确认柴油以及天然气的喷射时刻，喷射次数，每次喷射量以及每次喷射压力；S4：发动机燃烧模型的建立与验证：建立发动机燃烧室模型，选取原机的某一工况，将模拟所得的结果与实验结果进行对比分析验证所建发动机燃烧室模型的准确性；S5：不同喷射方案的模拟分析：在确定发动机燃烧室模型符合实验要求时，根据不同的喷射方案，利用CFD软件对设计方案进行缸内燃烧的数值模拟；根据数值模拟结果，分析不同喷射方案的缸内燃烧以及排放特性，总结出规律以及更优的喷射策略；最后，从缸内燃烧温度、压力以及NOx量的变化对NOx排放以及爆震燃烧控制策略的效果进行验证与评估，并得出一般性的结论；所述S3引燃柴油所占比例为6%；压缩冲程阶段，柴油在上止点前20°CA高压喷射进入气缸，喷射压力为90MPa；随后，天然气高压分段喷射进入气缸；天然气第一次喷射量占天然气比例为5%~15%，天然气第二次喷射量占天然气比例为85%~95%；天然气第二次喷射起点定为上止点前2°CA，第一次喷射与第二次喷射间隔为3~12°CA。进一步的，所述S4中发动机燃烧室模型准确性的验证，主要是针对所确定某一方案的燃烧过程，模拟所得的缸内压力与试验中压力传感器所测的数据进行对比分析。进一步的，所述的对不同喷射方案的缸内燃烧以及排放特性进行分析，主要是针对缸内燃料的浓度场、温度场、燃烧压力、放热率、速度场、湍流变化等以及生成的NOx,并得出一般性的结论；其中，缸内燃烧温度、压力以及NOx量的变化是验证NOx排放以及爆震燃烧控制策略的主要依据。本专利技术的优点在于：1）本专利技术中结合理论设计及CFD数值模拟对排放控制策略进行设计，理论设计的定性分析结果与CFD数值模拟的定量结果可以相互验证，从而说明设计方案的合理性，设计完成之后，从缸内燃烧温度、压力以及NOX量的变化对NOX排放以及爆震燃烧控制策略效果进行评估；定性分析结果与定量分析结果可以相互验证，不仅能保证设计方案的正确性，还能保证设计方案的合理性和良好的控制效果。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1为本专利技术的油气共用喷射器示意图。图2为本专利技术的发动机进气门关闭时刻燃烧室的网格模型示意图。图3为本专利技术的发动机活塞处于止点时刻燃烧室的网格模型示意图。图4为本专利技术的发动机某一工况缸内实测压力曲线和模拟压力曲线对比图。图5为本专利技术的发动机多个燃料喷射动作示意图。图6至图9是天然气第一次与第二次喷射间隔角分别为3°CA、6°CA、9°CA、12°CA时，不同的天然气第一次喷射比例(5%、10%、15%)，其NO质量分数随曲轴转角的变化曲线。图10至图12是天然气第一次喷射比例分别为5%、10%、15%时，不同的天然气第一次与第二次喷射间隔角（3°CA、6°CA、9°CA、12°CA），其NO质量分数随曲轴转角的变化曲线。图13至图15为天然气第一次与第二次喷射间隔角为12°CA时，不同的天然气第一次喷射比例（5%、10%、15%），其缸内温度，缸内压力以及燃烧放热率随曲轴转角的变化曲线。图16至图18为天然气第一次喷射比例为15%时，不同的天然气第一次与第二次喷射间隔角（3°CA、6°CA、9°CA、12°CA），其缸内温度，缸内压力以及燃烧放热率随曲轴转角的变化曲线。图19为上止点后30°CA，单次喷射方案、Pi-15%-12°CA方案、Pi-15%-3°CA方案，其缸内燃空当量比、天然气浓度、温度分布以及NOX分布的云图对比。图20为上止点后30°CA，单次喷射方案、Pi-15%-12°CA方案、Pi-5%-12°CA方案，其缸内燃空当量比、天然气浓度、温度分布以及NOX分布的云图对比。如图所示：101.油气共用喷射器；102.电磁阀；103.供油/回油；104.通断两段阀；105.燃油柱塞；106.燃油针阀；107.天然气针阀；108.柱塞；109.天然气；110.燃油喷束；111.天然气喷束；401.柴油喷射；402.天然气第一次喷射(少量)；403.天然气第二次喷射(多量)；404.进气冲程下止点；405.压缩冲程上止点；406.柴油与天然气第一次喷射间隔角；407.天然气第一次喷射与第二次喷射间隔角。具体实施方式下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本专利技术，但并不因此将本专利技术限制在所述的实施例范围之中。一种双燃料发动机额定工况NOX排放及爆震燃烧控制策略，在额定工况下，采用油气共用喷射器，根据柴油与天然气不同的燃烧特性，采用理论设计与CFD数值模拟相结合的方法对排放控制策略进行设计，两者的结果可以相互验证，且对排放控制策略的效果进行评估，并得出一般性的结论；具体控制策略如下：S1：燃烧方式的确定：针对双燃料发动机的额定工况，为了满足天然气与柴油的相互耦合，实现缸内混合气浓度与燃料成分的可控分层分布，兼具扩散燃烧与均质火本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双燃料发动机额定工况NOX排放及爆震燃烧控制策略，其特征在于：在额定工况下，采用油气共用喷射器，根据柴油与天然气不同的燃烧特性，采用理论设计与CFD数值模拟相结合的方法对排放控制策略进行设计，两者的结果可以相互验证，且对排放控制策略的效果进行评估，并得出一般性的结论；具体控制策略如下：S1：燃烧方式的确定：针对双燃料发动机的额定工况，为了满足天然气与柴油的相互耦合，实现缸内混合气浓度与燃料成分的可控分层分布，兼具扩散燃烧与均质火焰传播，采用分层压燃模式；S2：喷射方案的确定：采用的油气共用喷射器，分别连接到供油管路以及供气管路，所能提供的柴油喷射压力为80~140MPa,天然气喷射压力为12~16MPa；油气共用喷射器连接到双燃料ECU上；相应的燃料喷射方案为柴油单次喷射，天然气采用少量第一次喷射与多量第二次喷射策略，且均采用缸内高压直喷的方式；S3：相关燃料喷射参数的选取：在确定燃烧方式以及喷射方案的基础上，结合发动机实际工况及其特点，选取合适的柴油替代率和EGR率，并根据额定工况下所需燃料热值基本不变的原则，进而计算出引燃柴油和天然气的量，接着确认柴油以及天然气的喷射时刻，喷射次数，每次喷射量以及每次喷射压力；S4：发动机燃烧模型的建立与验证：建立发动机燃烧室模型，选取原机的某一工况，将模拟所得的结果与实验结果进行对比分析验证所建发动机燃烧室模型的准确性；S5：不同喷射方案的模拟分析：在确定发动机燃烧室模型符合实验要求时，根据不同的喷射方案，利用CFD软件对设计方案进行缸内燃烧的数值模拟；根据数值模拟结果，分析不同喷射方案的缸内燃烧以及排放特性，总结出规律以及更优的喷射策略；最后，从缸内燃烧温度、压力以及NOx量的变化对NOx排放以及爆震燃烧控制策略的效果进行验证与评估，并得出一般性的结论；所述S3引燃柴油所占比例为6%；压缩冲程阶段，柴油在上止点前20°CA高压喷射进入气缸，喷射压力为90MPa；随后，天然气高压分段喷射进入气缸；天然气第一次喷射量占天然气比例为5%~15%，天然气第二次喷射量占天然气比例为85%~95%；天然气第二次喷射起点定为上止点前2°CA，第一次喷射与第二次喷射间隔为3~12°CA。...

【技术特征摘要】
1.一种双燃料发动机额定工况NOX排放及爆震燃烧控制策略，其特征在于：在额定工况下，采用油气共用喷射器，根据柴油与天然气不同的燃烧特性，采用理论设计与CFD数值模拟相结合的方法对排放控制策略进行设计，两者的结果可以相互验证，且对排放控制策略的效果进行评估，并得出一般性的结论；具体控制策略如下：S1：燃烧方式的确定：针对双燃料发动机的额定工况，为了满足天然气与柴油的相互耦合，实现缸内混合气浓度与燃料成分的可控分层分布，兼具扩散燃烧与均质火焰传播，采用分层压燃模式；S2：喷射方案的确定：采用的油气共用喷射器，分别连接到供油管路以及供气管路，所能提供的柴油喷射压力为80~140MPa,天然气喷射压力为12~16MPa；油气共用喷射器连接到双燃料ECU上；相应的燃料喷射方案为柴油单次喷射，天然气采用少量第一次喷射与多量第二次喷射策略，且均采用缸内高压直喷的方式；S3：相关燃料喷射参数的选取：在确定燃烧方式以及喷射方案的基础上，结合发动机实际工况及其特点，选取合适的柴油替代率和EGR率，并根据额定工况下所需燃料热值基本不变的原则，进而计算出引燃柴油和天然气的量，接着确认柴油以及天然气的喷射时刻，喷射次数，每次喷射量以及每次喷射压力；S4：发动机燃烧模型的建立与验证：建立发动机燃烧室模型，选取原机的某一工况，将模拟所得的结果与实验结果进行对比分析验证所建发动机燃烧室模型的准确性；S5：不同喷射方案的模拟...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖民，周星星，
申请(专利权)人：江苏科技大学，江苏科技大学海洋装备研究院，
类型：发明
国别省市：江苏,32