柴油机中掺加天然气的缸内燃烧模拟

冯是全 夏菲剑 董萍萍

常熟理工学院 汽车工程学院 江苏 常熟 215500

摘要：在柴油机中加入天然气会对柴油机的缸内燃烧和排放产生影响，为了较为形象的描述在柴油机中掺烧天然气的作用，本文构建了发动机缸内燃烧的三维仿真模型，计算了纯柴油工况和掺加不同比例天然气工况下发动机的性能表现。

关键词：仿真 柴油机 天然气 污染物

1简介

天然气中富含大量的甲烷，它的特点是有较高的自燃温度，优点是气体燃料容易与空气混合，缺点是化学活性比较差，所以要在一定条件下才能完全燃烧。本文以一台涡轮增压、进气中冷柴油机为仿真模型，对燃油喷射的参数进行控制，以柴油为基础燃料，在仿真软件中，在进气过程中加入不同比例的天然气，制取混有不同比例的天然气/柴油混合燃料，针对添加不同比例的天然气/柴油混合燃料研究其对发动机燃烧与排放的改善效果。

2掺烧天然气的柴油机燃烧仿真模拟

天然气和柴油机缸内燃烧实验通常都是在现实中完成，可是试验无法准确地表示每一时刻的缸内物质的变化，所以要通过建立柴油机的仿真模型来计算缸内物质每分每秒的变化过程，并在此基础上研究加入不同比例的天然气对缸内燃烧特性的影响。本仿真研究以一台济柴生产的4190ZLC-2型柴油机为仿真模型。发动机总排量是23.82L，涡轮增压四缸四冲程。为了仿真加入不同比例天然气条件下对发动机性能的影响，在仿真计算中，只改变了混合气体中天然气的比例，其他参数均无改变。仿真条件为：喷油喷油提前角为上止点前7.5°，总的喷油时间控制在0.004s内，喷油总量定为0.0535g，发动机额定转速为1000r/min。柴油机喷嘴有八个喷孔，且在圆周上均匀分布，因此在研究中，我们可以只研究气缸中的一个喷油嘴即1/8来减少运算量，建立的几何模型如图1。

图1柴油机缸内燃烧仿真模型

3掺烧天然气对柴油机燃烧和排放特性的影响

图2 缸内压力与曲轴转角的变化曲线图

图3柴油消耗速率

图3 缸内温度与曲轴转角的变化曲线图

图2是仿真获得的缸内压力和曲轴转角的变化曲线图，图3是仿真获得的缸内温度和曲轴转角的变化曲线图。从图中可以更直观地观察到不同比例的天然气/柴油混合燃料和纯柴油的缸内压力和缸内温度的变化。可以看出掺入2%、3%、4%的天然气对发动机的缸内压力和缸内温度的影响比较明显；掺入天然气比例越高，化学放热越多，缸压和温度的数值上升的越明显。

图4 SOOT与曲轴转角的变化曲线图

图4是仿真获得的soot和曲轴转角的变化曲线图，可以观察到不同比例的天然气/柴油混合燃料和纯柴油缸内排放soot碳烟的变化。

4总结

本章主要研究在柴油机进气中掺烧天然气带来的影响，分析了在掺烧不同比例天然气策略下，柴油机所表现出的燃烧性能和排放污染物的不同。分别建立了纯柴油，2%天然气，3%天然气和4%天然气的仿真模型，并对它们进行仿真分析。一般来说，天然气的添加可以较为有利的促进缸内燃料的充分燃烧，提高缸内压力，提高缸内燃烧温度。

5参考文献

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