天然气作为低碳燃料被视为能实现发动机高效洁净燃烧与降低CO2的优质替代燃料,现已广泛应用于交通运输领域,但天然气发动机小负荷工况下燃烧稳定性差、替代率无法提高的瓶颈限制了其进一步应用推广。本文主要采用数值模拟的方法,针对小负荷高替代率工况,研究不同喷射策略对双燃料发动机的影响,探索高效清洁燃烧的可能。首先,根据试验数据构建带进排气道和燃烧室的天然气进气道喷射全模型,研究柴油预喷策略、预喷耦合EGR策略的影响规律。其次,构建天然气缸内直喷模型,研究天然气射流轴线与水平方向夹角、两射流轴线方向相对夹角、天然气喷气定时、直喷/气道复合喷射比例对天然气混合过程、缸内浓度分布及着火燃烧过程的影响,在此基础上设计对比几种喷射策略。天然气进气道喷射模式下采用合适的预喷策略能优化缸内温度、压力和燃烧相位,可以使除NOx之外的排放保持在较低水平。预喷定时不变仅提高预喷油量,或者预喷油量不变仅提前预喷定时,都能加快燃烧速率,提高温度、压力。预喷结合EGR的策略使缸内燃烧速率放缓,整体燃烧后移,压力和温度均下降,降低NOx排放,但Soot、CO、CH4、HC排放会随EGR率增大而升高。该工况下,采用15%EGR率、-20℃A ATDC预喷定时、30%预喷油量占比的耦合策略,主要排放物均低于原机单次喷射。天然气缸内直喷与进气道喷射相比,在喷油时缸内天然气不均匀分布,形成的天然气-柴油-空气混合气更多,更容易达到发火界限,一定程度上改善了预混合气均匀过稀的情况,整体放热更多,缸压和放热率都呈上升趋势,排放中HC、CO下降,NOx相应上升。不同水平夹角α使缸内形成不同浓度分布。α=50和60时,燃烧室内能形成尺度较大的稳定涡旋结构,裹挟大量天然气,形成局部浓混合气区域,喷油后受到燃油射流和缸内原有涡旋的相互作用、燃油射流卷吸效应、附壁射流的流动这3者的影响,燃料混合更充分。故随着α增大,缸压逐渐升高;放热率双峰逐渐变为单峰且峰值逐渐升高;NOx排放上升,HC、CO和CH4排放降低。α=50比30,缸压高31.2%,CA50提前4度,NOx增加2.48倍,HC、CO、CH4分别降低36.1%、68.9%、39.0%。相对交角β会影响喷油后缸内混合过程,β=0和10时,形成以唇口位置为中心且浓度差较大的分层分布;β=20时,形成以凹坑为中心浓度差较小的层次分布;β=30和40时受流动作用形成大量柴油-天然气-空气混合气并在缸内大范围分布。故随着β增大,缸压逐渐升高;放热率由两个明显的峰靠拢成为单峰,放热重心提前,最大值上升;NOx排放上升,HC、CO排放下降。β=40峰值压力比β=0提高约24.8%,放热率提高1.92倍;NO排放β=30是β=0的3.45倍;β=40 HC、CO排放最低,比β=0分别降低了85.4%、80%。喷气定时由-50℃A ATDC推后到-30℃A ATDC为止,都能在燃烧室凹坑附近形成天然气的积聚,喷油时流动作用下混合较好,产生较多柴油-天然气-空气混合气,加快燃烧速率,放热率和缸压较高;SOI=-20℃A ATDC时混合不充分,柴油分布范围较小且燃烧主要在低温弱流动的压缩余隙附近进行,缸压和放热率比前者低10.4%、22.3%;推迟到-10℃A ATDC时混合时间最短,天然气在燃烧室底面和中心区域积聚,引燃柴油分布范围更小。故前3个喷气定时排放差异不大,SOI=-20℃A ATDC较前3者NOx排放降低44.4%,HC、CO、CH4排放分别上升151.2%、71.6%、150.1%。天然气采用直喷/气道复合喷射时,随着直喷比例增大,参与燃烧的天然气更多,速率加快,放热更多,故缸压、放热率及缸温逐渐上升,除NOx排放逐渐增大,其余排放逐渐降低,且HC、CH4变化幅度以直喷比例40%为节点,低于40%时降低较慢,后续加快。不同喷射策略下缸内混合和燃烧过程不同。方案2天然气进气道喷射,柴油两次提前喷射,第一次柴油喷射较早且质量较大,有充足时间形成均匀天然气-柴油-空气混合气,未达到上止点就开始大面积同时着火,燃烧呈现单峰放热,放热速率快,燃烧重心在上止点,缸温、缸压及压力升高率较大;方案4天然气缸内直喷,柴油两次喷射,第一次较早喷油,但喷气定时较晚,有效混合时间短,此外第二次喷入的燃油量少,当量比低延后了着火始点,放热总体后移。天然气进气道喷射,柴油提前多次喷射比上止点附近单次喷射,排放中NOx上升134.9%,HC降低95.2%,CO、CH4几乎为零;柴油上止点附近单次喷射,天然气缸内直喷比气道喷射,NOx升高388.5%但HC、CO、CH4分别降低90.7%、80.2%、91.2%;天然气缸内直喷、柴油两次喷射比天然气气道喷射,HC、CO、CH4排放分别降低43.5%、15.5%、65.1%;天然气采用复合喷射,与天然气缸内直喷模式相比,参与燃烧的天然气量减少,可以实现对主要排放物的平衡。