天然气／柴油双燃料发动机燃烧过程二维数学模型的研究

随着液体燃料费用的上升，排放标准更加严格，需要采用更经济、更有效的燃烧方法。天然气／柴油双燃料发动机由于具于较好的排放特性，爱到研究人员的关门。为了改善双燃料发动机的燃烧过程。本文采用离散型液滴模型模拟喷雾，采用k-ε双方程模型模拟湍流运动，用多步快速反应模型模拟燃烧化学反应。建立了双燃料发动机二维燃烧模型，并采用任意拉格朗日－欧拉地得到的偏微分方程组进行离散求解。对一台单缸双燃料发动机进行了模拟计算，将计算结果与实验结果对比分析发现，计算结果与实验结果吻合较好，表明本文的数值计算正确地反映了缸内燃烧过程的实际规律，能够反映引燃油量、发动机转速与负荷等运行参数对发动机燃烧过程的影响。因而该模型对于进一步优化双燃料发动机的动力性、经济性和排放特性，揭示影响其燃烧的主要因素具有重要价值。     

面向未来的双燃料发动机技术进展

当前双燃料发动机正在大缸径发动机市场逐步觉醒。长期以来双燃料技术仅应用于电站发电领域,然而近十年来,由于纯天然气发动机性能的大幅度提高,以及采用大型中速发动机实现功率等级的延伸,电站市场显著萎缩。除了先前大量的陆用外,移动式应用也为大缸径双燃料发动机提供了更广阔的市场。上述应用包括船用主推进（例如液化天然气运输船,豪华游轮）和辅机应用（例如集装箱船）以及铁路牵引（例如,长途机车）。促使业界关注双燃料发动机的主要动力是,与使用昂贵的重油或柴油相比较低的燃料成本,以及降低以NOx为主的排放污染物进而满足未来的排放法规。另外,对于大量的移动式发动机的应用,天然气将很快成为一种潜在的低硫燃料。除天然气之外的典型液态替代燃料通常不利于在电站双燃料发动机的应用,然而对于移动式应用却是一种可靠的备用燃料。对于船舶应用可以在ECA（排放控制区）区域内外通过天然气和柴油模式切换,从而使双燃料发动机更容易满足IMO（国际海事组织）的排放法规。移动式应用的难点在于,频繁的转速工况变化、快速的负荷响应要求、天然气品质变化和复杂工况下,对发动机运转可靠性的考验。由于双燃料发动机具有两种典型运转模式（天然气工况和柴油工况）,在发动机设计时必须进行折中考虑（例如压缩比、活塞碗形状、气门正时等）,这就导致了目前效率和功率密度方面的缺陷。关于上述问题,奥地利AVL公司通过单缸中速发动机测试研究了双燃料发动机相关技术问题。对大量参数进行了评估并对工况边界条件进行了研究。基于获得的数据,将给出当前双燃料发动机技术的短期预测。AVL公司关于双燃料发动机技术的展望也将促进中期开发需求。     

与曼恩动力设备公司执行总裁面对面

曼恩动力设备公司近期研发成功了两款新型发动机,一款新型双燃料发动机和一款输出功率可以达到5Mw的新型高速发动机。这款双燃料发动机具有燃料适应性好、输出功率大、排放标准高等优点,因此双燃料发动机将是未来的一个发展趋势;而另外一款新型高速发动机D7,由于其输出功率高,可以被广泛的应用在多个领域。     

大功率双燃料发动机用宽泛喷油器

与柴油发动机相比,双燃料发动机具有废气排放低、易于在不同燃料间转换,以及可用低价气体燃料、实用性高等特点。近年来,双燃料发动机越来越受到重视。最先进的柴油-天然气发动机的缺点是系统复杂性高,因为它们配备了两个喷油器(一个主喷油器用于柴油运行和一个引燃喷油器用于双燃料运行)或双喷嘴喷油器。此外,双喷油器性能会受到其引燃喷油器偏心位置的不良影响。因此,在发动机整个运行范围内仅采用一个位于中央的喷油器是首选解决方案。然而,以微量柴油特别是1%柴油分量实现所需的喷射精度,喷油系统在设计上极具挑战性。在发动机整个运行范围内柴油分量高达100%时调整喷嘴几何形状以获得良好的喷雾性能,也仍是一个重要的课题。文章对L’Orange(以下称罗润)公司先进的宽泛(wide range)喷油器与最先进的引燃喷油器的喷射性能进行比较。在喷油率测量及喷雾箱光学调查的基础上,评估两种喷油器的喷射特点。采用高速纹影技术和高速米氏散射可视化技术来描述喷雾汽相和液相的特点。调查的重点是少量柴油(柴油全负荷运行柴油用量的1%~10%)用于高速双燃料发动机。利用选择的单缸发动机试验结果对两种不同的喷油器进行再次对比。为避免喷油器安装位置对评估产生影响,两种喷油器均被安装在气缸盖的中心。通过试验测定维持稳定燃烧所需的最小柴油分量。此外,在发动机的不同工况下,对新型喷油器和最先进的柴油引燃喷油器对发动机整体性能的影响进行比较。     

1996年发动机技术综述

综述了１９９６年世界上若干主要的发动机生产厂家的产品和技术进展。介绍的发动机产品包括柴油机、双燃料和气体燃料发动机，其中柴油机有的可燃用重油，发动机应用领域包括船舶推进、船用辅机、机车牵引以及陆用发电等。在发动机技术方面，介绍了发动机的控制管理系统、燃烧系统以及排放系统的改进和可靠性、耐久性方面的改进情况等。     

HCCI技术应用于大型天然气发动机的潜力

在性能、燃料消耗和排放方面对大型天然气发动机提出了更高的要求。未来的排放限制将需要开发新的、在不降低发动机效率和功率的前提下显著降低排放的技术。达到此目的的一条途径就是使用催化剂（氧化催化剂、SCR催化剂）。这种方法的缺点是催化剂和为了减少氮化物的排放而使用的添加剂的成本较高。另一途径是采用新的燃烧技术达到减少排放的目的,例如均质充量压燃（HCCI）技术。本文将介绍采用天然气达到均质自燃目的的各种方法。采用非常高的压缩比、高废气再循环率以及很高的进气管温度,实现了纯天然气的HCCI技术。此外,亦研究了双燃料系统。采用了柴油作为第二种燃料用于内部混合以及采用了正庚烷、汽油、柴油用于外部混合等方式。所有的实验均是在一台排量约为6·2L的单缸试验机上进行的。研究结果显示出在采用HCCI技术的条件下不同参数（压缩比、进气管温度、废气再循环率）对燃烧过程的影响,以及发动机所能达到的效率和对排放性能的影响。     

“石脑油发动机”高负荷压燃运行的研究——一种从油井到车轮低二氧化碳排放的燃烧策略

对一种使用低辛烷值汽油（或称为“石脑油”）运行的燃烧系统在高负荷时的效率和排放潜力进行了计算和试验研究。石脑油发动机在低负荷时采用火花点燃,中负荷时采用均质压燃,高负荷时采用压燃方式运行,重点讨论高负荷时的压燃运行。试验在1台压缩比为16、采用共轨喷射系统的单缸柴油机上进行。考查了3种燃料：轻质石脑油（研究法辛烷值（RON）≤59,十六烷值（CN）≤34）,重质石脑油（RON≤66,CN≤31）、添加十六烷改进剂的重质石脑油（CN≤40）。在上止点单次喷射燃料（类似柴油机燃烧）,随负荷的增长会产生很大的燃烧噪声。与计算流体动力学预测的一致,噪声限制了最大功率。单次预喷后,受噪声限制的最大功率略为增加。在与传统轻型柴油机功率水平差不多的峰值负荷下运行,要求采用一种“分段燃烧”方法,即采用间隔很大的预喷和主喷。试验结果表明,发动机在低速、中高负荷下具有很好的性能和效率。由于加入十六烷改进剂后石脑油的着火性仍不佳,发动机分段燃烧高速运行时的转速被限制在2700r／min以下的范围内。中低负荷下的大量预混燃烧使氮氧化物和颗粒排放降低,分段燃烧在高负荷下出现了很高的排放（类似柴油机）。因此,为了高效率运行,虽然这种方法能达到不错的峰值负荷水平,但是,转速和排放限制了这种方法的应用,需要进一步的研究。     

未来柴油多样化的挑战和解决方法

排放控制、二氧化碳值、舒适性、驾驶性、可靠性和成本是未来所有动力装置开发的主要框架。为了在保持燃油耗优势、良好运行性能和可接受成本的同时,满足未来的欧洲排放法规和现行的美国排放法规,在这个框架内,无论是轿车,还是商用车的柴油动力装置都面临一些挑战。其中之一是不同国家柴油品质的差异,包括不同的十六烷值、挥发性、含硫量和分子成分。此外,由于经济和环境的原因,越来越多具有不同燃油品质和特性的代用燃油将被推向市场。目前,大多数柴油机采用的喷油系统控制算法是开环控制。采用这种控制方法时,燃油品质的变化会增加校准的难度和校准持续时间,同时还会降低燃烧强度和排放。控制不同燃油燃烧的一种可能解决方案是采用闭环燃烧控制。一旦这种设想被发动机试验证实,针对不同品质燃油的校准会变得更快、更容易。另外,车辆使用期间的在线校准修正还可以避免发动机故障,并确保适宜的驾驶性能和排放性能。介绍一种补偿燃油品质变化的创新方法。依据2种市售燃油（EN590欧洲柴油和低十六烷值美国柴油）的品质,通过燃烧分析研究了燃油对燃烧特性和排放的影响。基于这些数据和结果,介绍了一种能补偿燃油品质变化的创新闭环燃烧控制策略。     

乌拉尔柴油机有限公司新型DM-185发动机系族

乌拉尔柴油机有限公司(UDMZ)正在研发一种全新的发动机系族,并于2016年将其引入市场。该发动机系族适用于铁路机车、矿山用车、船舶和发电机组。该系族命名为DM-185,有16个机型,缸数由6缸到20缸,目标功率为1 500～3 800 kW(保留提升到6 000 kW的可能性)。该系族主要特点是高比功率(高达234 kW/缸)和低燃油消耗率。在没有安装外部气体再循环或废气后处理系统的情况下,排放性能达到EU IIIA/IMO 2标准。介绍了该发动机系族的主要技术参数。首批原型机已发往俄罗斯叶卡捷琳堡,该整机的最初运行结果进一步证明该发动机系族理念的可行性。     

秘鲁中央铁路公司试用双燃料机车

2002年,秘鲁Ferrocarril Cen-tral Andino SA公司(以下简称FC-CA铁路公司)获得了自私有化以来的第一批现代化牵引动力装置,其包括5台经改造的GE C30-7型内燃机车(发动机功率为3000马力)。其后,又于2005年获得了2台3900马力的GE B39型机车。目前这7台机车正艰难地运行在FCCA铁路公司的卡亚俄港与万卡约之间的干线上,其最高点加莱拉山顶海拔4781m,运送的货物有锌、铜、铅和锡矿以及柴油、燃料油、水泥、硫酸、精炼金属以及粒料,运行线路坡度高达48.9‰(图1)。因此,我们的机车车队大部分时间消耗在全功率工况,同其它每个运输公司一样,F…     

基于电控单体泵的性能匹配试验研究

针对某电控单体泵燃油系统在某单缸机高转速试验过程中出现的工作稳定性差、油耗高等问题,对该单体泵、高速凸轮与电控系统,在喷油泵试验台上进行进一步高转速下的性能匹配试验,确定该电控单体泵在单缸试验过程中出现问题的原因,适用的高转速范围、及解决问题的方法,为单缸机下一步的性能匹配试验提供支持.     

双块式无碴轨道工具轨法施工装备之粗调机

RP1500—4型粗调机是针对武广客专研制开发的双块式无碴轨道施工装备。介绍了该粗调机的主要结构、系统构成、性能参数及其应用范围。该粗调机在武广客专试验段应用，取得了满意的效果。     

12V280ZJ柴油机电子喷射系统的应用与拓展

详细阐明了12V280ZJ柴油机电子喷射系统的工作原理。论述了通过电子喷射系统如何对柴油机台架试验、性能试验等过程进行控制和优化。通过典型实例,说明了如何利用电子喷射系统进行故障查询和问题处理,表现出电子喷射系统同传统机械调速系统相比的优越性。在实践中,通过对电子喷射系统的拓展开发和应用,对柴油机增压器机油压力进行了实时监测和报警,实现了对增压器的保护。     

TPR56-F33-VTG增压器在R12V280ZJ柴油机上的配套研究

通过对TPR56-F33-VTG增压器与R12V280ZJ柴油机的配套,研究了可变涡轮增压柴油机对环境条件变化的适应性以及对部分负荷柴油机性能的影响.结果表明,通过调节可变涡轮可大幅度提高柴油机的部分负荷性能和大范围减少环境条件对柴油机性能的影响.     

和谐系列内燃机车用大功率柴油机试验研究

根据和谐系列大功率内燃机车型式试验的试验数据,着重分析了能够对内燃机车运用性能产生重大影响的一些柴油机关键性指标:柴油机功率、冷却系统性能、排放性能、经济性,并探讨了今后国内机车柴油机研究的工作重点.     

ZPW-2000A调谐区SVA阻抗值对调谐区品质因数的影响分析

ZPW-2000A无绝缘轨道电路调谐区由1型调谐单元、钢轨、空心线圈、2型调谐单元构成,本区段所连接的调谐单元显容性,钢轨、空心线圈和邻区段连接的调谐单元呈感性,这两部分形成并联谐振。分析普速铁路ZPW-2000A空心线圈SVA阻抗值对整体谐振电路的影响,提出调谐区小轨道电路品质因数的计算方法,通过提高调谐区品质因数,可以改善钢轨传输的稳定性,增强调谐区选频性能。     

基于AVLBOOST仿真优化及柴油机性能预测

为了使AVLBOOST软件能够更真实的模拟计算本公司生产240/275系列柴油机,并对新研制的12V240ZJH型柴油机进行性能预测.首先以16V240ZJE型柴油机为基础,在真实的试验数据指导之下,综合应用柴油机的性能知识,通过参数的调整、优化,最终得到了可靠的仿真计算模型.在此基础之上,对12V240ZJH型柴油机进行性能模拟计算,并对其性能进行评价预测,为柴油机的研制和试验起到了积极的指导作用.     

现代柴油机性能预测

现代柴油机设计时通过CAE分析可以对性能进行预测,对新研制的柴油机的概念设计,采用先进的设计分析技术进行整机性能模拟计算,预测了发动机的性能指标,确定了气门定时、增压器匹配方案和进、排气系统几何尺寸.通过与样机试验结果的对比,验证了前期整机性能计算的正确性.     

铁路柴油机润滑油的现状与发展

为满足环保要求,世界各国政府针对柴油机废气排放制定了一系列法规。这些法规的实施及市场经济性的要求,迫使柴油机必须采取相应的技术改变,因而对柴油机润滑油(以下简称"柴油机油")的研究提出新的技术挑战。随着柴油机油质量升级,国际上逐步提高了油品评定方法和指标的技术要求。因其自身的特殊要求,铁路柴油机油形成一个独立研究领域的趋势已愈加明显。中国铁路第三、第四代油研制成功后,已基本能够满足目前国内铁路运输要求,但亟待建立柴油机油试验评定方法,开展柴油机油作用机理的研究。     

基于现代设计手段的某车用增压器离心压气机设计

针对发动机高压比宽流量范围需求,作者采用两区模型性能预测,控制载荷分布叶片造型和提高自振频率等技术,开展某车用增压器跨声速离心压气机设计和试验验证研究.并得出如下结论:①两区模型性能预测技术可快速预测压气机特性,其结果与试验吻合较好.②控制载荷叶片造型技术可快速方便应用于工程研制,设计结果比较理想.③相同大小叶轮,改变叶轮进口直径,在保持压比和效率近似恒定的情况下,可获得不同流量范围的压气机特性.④减小叶轮出口宽度和增大扩压器收敛段长度在某种程度上可推迟发生亚声速流动喘振.⑤压比大于3后(跨声速状态),压气机流量范围会突然变窄,喘振流量会大幅度增大.