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天然气和氢气是清洁燃料,且天然气价格便宜、储量丰富,如果把天然气和氢气作为船用柴油机的燃料,一方面可以解决能源短缺问题,另一方面污染物的排放也会降低。本文基于AVL FIRE软件,以C4190Zlc-2型船用柴油机为模型基础,通过进气加氢(氢气占空气体积的80%)和缸内直喷天然气,从天然气的喷射质量比、喷射时刻和喷射夹角三方面研究了混合燃料对发动机燃烧过程的影响。主要研究工作如下:(1)发动机燃烧室模型建立及网格划分。在原C4190Zlc-2型船用柴油机模型基础上,加设8个天然气喷孔,并由Pro/E软件建立燃烧室模型。应用AVL FIRE软件划分燃烧室网格,分别选用k-?双方程模型、KHRT模型、多组分蒸发模型、O-Rourke模型、Walljet1模型、修正Shell模型、EBU涡团破碎模型、Extended Zeldovich模型和Kinetic模型分别作为缸内流动湍流模型、液滴破碎模型、液滴蒸发模型、液滴相互碰撞模型、液滴碰壁模型、着火模型、燃烧模型、NO生成模型和SOOT生成模型。通过模拟柴油发动机的计算结果与实验结果的分析对比,验证了模型的正确性。(2)混合燃料对发动机燃烧性能与排放性能的影响。纯柴油时缸内最高压力最大,柴油中加入天然气后,缸内最高压力降低,当在双燃料中加入氢气后,缸内压力比双燃料时有所降低。纯柴油时缸内温度最高,柴油天然气双燃料时温度降低,加入氢气时温度比双燃料高但是低于纯柴油时燃烧。纯柴油燃烧时NO排放明显比双燃料和双燃料加氢时多,双燃料混合燃烧时SOOT生成量有所降低。(3)天然气添加比例对发动机性能与排放的影响。柴油喷油持续期701.4CA-710.2CA,喷射夹角160°;天然气的喷气持续期710.2CA-730.8CA,喷射夹角45°。天然气混合质量比由70%~90%时,缸内最高温度变化由2142K~2034K;缸内最高压力变化由10.18MPa~9.98MPa。随着天然气喷射量的增加,缸内温度的峰值有所降低,缸内最高压力降低,NO的生成量降低,SOOT生成量增加,发动机的动力性能有所下降,排放性能有所提高。(4)天然气喷射时刻对发动机性能与排放的影响。柴油、天然气的喷射夹角分别为160°、45°,天然气喷射时刻由710.2CA~720.2CA时,缸内最高温度变化由2018K~1688K;缸内最高压力由10.6MPa~9.8MPa。天然气喷射时刻越靠后,缸内最高温度越低,缸内压力峰值降低,缸内NO的生成量越少,SOOT生成量会增加,随着天然气喷射时刻的推迟,发动机动力性能降低,排放性能改善。(5)天然气喷射夹角对发动机性能与排放的影响。天然气的喷射质量比为90%,天然气的喷射时刻为710.2CA曲轴转角。当天然气喷射夹角分别为45°、75°、30°时,缸内最高温度分别为2122K、1915K、1673K;缸内最高压力分别为10.6MPa、10.2MPa、9.9MPa。天然气喷射夹角为45°时,NO的生成量最多,SOOT生成量最少;天然气喷射夹角为30°时,SOOT生成量最多;天然气喷射夹角为45°时,动力性能及排放性能最好。