CRMT应用Amesim进行天然气重卡燃烧及排放分析(上)

文摘   科技   2023-11-21 14:22   北京  

1 前言

得益于今年的天然气价格持续走低,天然气重卡市场异常火爆,本文讲述一个早期(2013年)的来自CRMT公司的天然气发动机应用Amesim仿真分析的案例。法国CRMT公司在替代能源的发动机和车辆开发领域,拥有丰富的工程专业知识,是业内著名的天然气发动机解决方案咨询公司,近年来在燃料电池发动机方面也有所建树。
相比于柴油,天然气具备辛烷值高(不易爆燃)、燃点低(降低NOx排放)、且低温启动好的优点。对比欧6和欧5的排放法规,NOx限值变化最大,减少约80%,未燃HC减少约70%,同时考虑成本(无需对现有发动机做巨大改动),天然气发动机成为实现这一法规要求的重要技术路线之一。 
图 欧6和欧5排放限值对比

按照天然气储存状态不同,天然气发动机分为CNG和LNG两种,各具优缺点,但燃气喷射系统是相同的(LNG多一套气化装置)。该项目中CRMT的CNG发动机整机配置及改进后的燃气系统如下图,新系统采用了分层稀薄燃烧(燃空当量比控制在0.6-0.75之间),这一技术实现起来并不容易,需要对燃烧室形状和燃气控制标定都要做出改进。

   
图 CNG发动机基本参数及燃气系统
2 燃烧分析
本项目的工作重点是在稀薄混合燃烧情况下,对重型卡车天然气发动机的燃烧特性基于Amesim进行仿真研究。缸内燃烧过程将以物理建模方式预测,减少对实验数据的依赖。
对于点燃式高频燃烧系统,Amesim提供了基于经验型的WIEBE和ROHR燃烧模型,也提供了预测型的CFM1D和进一步考虑排放的CFM1D 12G燃烧模型,CFM1D燃烧模型有如下假定:
  • 假定新鲜区域和燃烧区域的混合物是均匀的;

  • 假定两个区域的压力相同,在每个区域求解质量和能量守恒方程;

  • 假定气缸内的湍流动能场是均匀的;   

  • 假定燃料发生化学反应的火焰锋非常薄,并以层流速度传播(小火焰状态假设)。 
图 CFM1D燃烧模型
相对于经验型模型,预测型模型具备以下优点:
  • 着眼于更加真实的燃烧特性(并非给定燃烧放热曲线),考虑燃烧室形状、喷油器及火花塞位置、喷油器喷孔结构、进排气状况对燃烧性能的影响,燃烧过程考虑着火延迟、自燃、预混合和扩散燃烧等多种过程,对于实际样件的未测试工况的燃烧特性分析更加准确。

  • 对实验依赖度远小于经验型燃烧模型,对于全工况分析,预测型燃烧模型仅需要50个左右的工况实验数据,经验型燃烧模型则需要300个以上数据。

  • 基于封闭气缸的湍流能量分析因此只要气缸结构不变,同样的燃烧参数能够应用于不同进排气和燃油系统的分析,对于现有发动机进行新型燃油及进排气系统(含增压、EGR和进排气阀)的应用改进,进行准确预测具有重要作用。  
Amesim首先提供了对应该燃烧模型的前处理工具“FlameTracker”,一方面能够生成可视化文件用以检查结构参数(火花塞位置、燃烧室形状等),另一方面能够描述不同活塞位置和已燃气体容积时的平均火焰面半径。
图 “FlameTracker”可视化工具
同时,Amesim提供了上述所有燃烧模型的参数自动标定工具,CFM1D对应的该工具能够快速标定出该模型所需的tumble number、integral length scale以及Woschni的4个换热参数。
图 CFM1D燃烧模型参数自动标定工具
该项目中,CRMT进行了120个工况点测试(见下图),包含不同点火正时和燃空当量比来标定ECU,应用其中50个工况数据来标定CFM1D 12G燃烧模型,其他工况数据则用来验证模型。
图 测试工况
图 Amesim发动机模型
上图为用以标定该燃烧参数(含裸排)的单缸模型,下图给出50个工况的缸压仿真结果,与实测达到很好一致性,得到CFM1D燃烧模型的关键参数,用于接下来的排放分析。
图 不同工况的缸压仿真与实测对比
未完待续,请关注下期

参考
  • 《Modelling and Simulation of the Combustion of a Natural Gas spark ignition heavy duty engine operating in lean fuel mixture, LMS User conference 2013》    

  • 《Application of a New 1D Combustion Model to Gasoline Transient Engine Operation, SAE 2005-01-2017》

  • 《Modelling and Simulation of the Combustion of Ethanol blended Fuels in a SI Engine using a 0D Coherent Flame Model, SAE 2009-24-0016》

           

 


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  • 作者:陈登
  • Email:deng.chen@siemens.com    

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