低碳/零碳燃料发动机湍流混合燃烧模型构建
作者：梅齐昊，刘龙*，杨旺，唐元亨
单位：哈尔滨工程大学
1、
摘要
应用低碳和零碳燃料是降低发动机排放的主流趋势，其中燃油直喷是重要途径。然而，燃油种类的多样性和喷射策略的复杂性远远超出了现有预测模型的应用范围。为此，本研究开发了一个统一的适用于不同气相和液相燃料的湍流混合燃烧模型。首先，射流模型能够准确地捕捉不同喷射策略下射流喷雾的贯穿过程。其次，提出了概率密度函数-粒子碰撞脉谱耦合模型，可以应用于各种燃料，而且粒子离散方法显著减少了粒子数量，加快了计算速度，与此同时，细化了有效粒子碰撞区域，再现了燃料-空气实时混合模式，并提出了具体的二元粒子交换机制。此外，还考虑了发动机实际工况对油气混合速率的影响因素。最后，针对不同燃料和不同喷射策略开展了模型验证。结果表明，除了恒定射流锥角假设造成的微小差异外，模型对贯穿距和放热率的预测误差在5%以内，精度和鲁棒性较高，实现了对低碳燃料发动机缸内直喷燃烧行为的可靠预测分析，从而提供快速、实用的发动机性能优化方案。
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研究背景及意义
船舶内燃机性能仿真对于指导喷射和燃烧策略调节来提高热效率和降低排放至关重要，然而为了实现双碳目标，燃料变得多样化和喷射策略更加复杂化，性能仿真模型中处理对象和控制参数显著增多，为低碳燃料船舶内燃机性能预测带来严峻挑战。其中，燃料和空气混合计算是最复杂也是最重要的一环，直接影响着后续燃烧和排放过程，尤其是对低碳燃料船舶内燃机来说，其缸径和工作容积大，每个工作循环投入的燃料和压缩空气量较多，采用现有油气碰撞混合模型导致粒子数量庞大，计算时间较长，而且现有模型不考虑燃料物性和动力学状态对碰撞过程的影响，物质交换机制不够完善，无法准确描述油气混合过程。鉴于此，本研究提出了一种概率密度函数-粒子碰撞脉谱耦合模型，可以用来准确描述不同燃料在复杂喷射策略下的物质交换过程。
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研究方法
本研究的总体建模框架如图1所示，采用喷雾模型、空气卷吸模型、燃料蒸发模型、湍流混合模型、概率密度函数-碰撞脉谱耦合模型和燃烧模型等六大部分来描述船舶内燃机缸内直喷喷雾混合和燃烧过程。
为了快速准确地评估喷雾射流混合过程中的非均匀性，本研究提出了一种概率密度函数-碰撞脉谱耦合模型，每个计算步长内喷射的气相或液相燃料被当作一个均匀的球形流体包，而期间内卷吸入的空气被当作另一个球形流体包，在混合过程中燃料流体包和空气流体包彼此交换质量、动量和能量。本研究基于流体理论，耦合流体包的韦伯数和碰撞参数定义了三种有效碰撞结果：拉伸分离，聚并，自反分离，如图2所示，并通过反弹下限、聚并和拉伸分离的分界线以及聚并和自反分离的分界线组合成流体包碰撞脉谱。
(a) 拉伸分离 (b) 聚并 (c) 自反分离
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结果与讨论
图3是不同喷油质量下柴油喷雾贯穿距的仿真结果和实验数据对比。由图可知，在喷油质量为2.5mg的t=0.13ms～t=0.19ms区间和在喷油质量为5.0mg的t=0.23ms～t=0.33ms区间，喷雾贯穿距的仿真结果略小于实验数据，误差超过5%，主要是由于两者对待喷雾锥角的方式不同；除此之外，喷雾贯穿距的计算结果与实验数据吻合得很好。
图4是不同喷射压力下氢气射流贯穿距的仿真结果和实验数据对比。由图可知，除了在喷射压力为14MPa下t=1.4ms之后氢气射流贯穿距预测结果略高外，其他氢气射流贯穿距的计算结果与实验数据吻合得很好，误差普遍低于5%。
图5是不同喷射压力下甲烷射流贯穿距的仿真结果和实验数据对比，从图中可以明显看出不同条件下甲烷射流贯穿距计算结果均与实验数据吻合得很好，误差普遍在5%以内。
图6是不同喷射压力下氨燃料喷雾贯穿距的仿真结果和实验数据对比。由图可知，本研究开发的模型对氨燃料喷雾贯穿距的预测结果很好，误差在5%以内。
图7是不同喷射策略下柴油燃烧放热率的仿真结果和实验数据对比。从图中可以看出，单次喷射呈现出典型的预混燃烧模式，而多次喷射呈现出预混燃烧和扩散燃烧组合燃烧模式，两种条件下的计算结果与实验数据吻合得很好，例如着火延迟和放热率峰值等关键点处。
图8是不同喷射压力下氢气燃烧放热率的仿真结果和实验数据对比。在10MPa喷射压力下，氢气燃烧过程为预混燃烧和扩散燃烧的组合模式，但模型未预测到t=0.76ms时的预混燃烧的放热率峰值，可能由于射流锥角处理方式不同导致卷吸过程出现差异。后续整个过程中氢气燃烧放热率的计算结果与实验数据吻合得非常好。在12MPa喷射压力条件下，氢气燃烧放热率的仿真结果在t=1ms～t=1.7ms期间略高于实验数据，除了这个微小差异外两者吻合得很好。
图9是甲烷燃烧放热率的仿真结果和实验数据对比。从实验结果可以看出柴油在t=-6°ATDC左右着火，然后迅速达到预混燃烧放热率峰值。在上止点左右，甲烷扩散燃烧开始主导快压机内的整体燃烧进程，并在t=16°ATDC达到扩散燃烧峰值。对比发现，本研究所开发的模型预测得到的甲烷燃烧放热率结果在预混燃烧的t=-1.6°ATDC左右以及在扩散燃烧的t=4°ATDC～t=8°ATDC期间略低于实验数据，除此之外两者吻合得非常好。
图10是不同反应性工况下氨燃料燃烧放热率的仿真结果和实验数据对比。在低反应性工况下，氨燃料在预喷柴油燃烧的放热率峰值附近开始燃烧，模型成功地预测到了柴油和氨燃料的“共燃”现象，但该期间放热率的预测结果略低于实验数据，可能由于恒定喷雾锥角假设导致的。在t=1.6ms之后，氨燃料燃烧开始主导快压机内的整体燃烧进程，放热率快速增大并在氨燃料喷射终点附近达到放热率峰值，然后放热率逐渐减小直到燃烧结束，期间放热率的计算结果与实验数据吻合得很好。在高反应性工况下，着火延迟相对较短，柴油燃烧速度较快并在t=0.5ms左右达到放热率峰值。在t=0.9ms附近氨燃料被点燃，出现柴油和氨燃料的“共燃”现象。在t=1.2ms之后，氨燃料燃烧开始主导整体燃烧进程并在t=2.9ms达到放热率峰值，随后燃烧强度逐渐减小直到燃烧结束，期间放热率计算结果与实验数据吻合得很好。
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结论
本研究构建的模型能够快速准确预测不同气相和液相燃料的喷雾燃烧过程，除了恒定射流喷雾锥角假设导致的微小差异外，贯穿距和放热率的计算结果与实验数据吻合得很好，误差在5%以内，具有良好的准确性和鲁棒性。
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作者介绍
本期编辑：刘洋 审校：胡皓玮
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