燃烧室形状对柴油天然气发动机燃烧影响的研究

【摘要】：我国是石油资源的消耗大国,而本国的资源不足以满足自身的消耗。传统的汽车行业对石油资源有很大的依赖,因而,能源多元化成了汽车行业发展的主流趋势。在这些替代能源中,天然气因其储量丰富、辛烷值高、排放污染低、价格低廉,被许多研究机构誉为未来车用发动机最有潜力的替代燃料。天然气在内燃机中分类按燃料的使用和同时使用种类主要分为以下三种：单一燃料发动机、两用燃料发动机和双燃料发动机。其中,双燃料发动机又因为其改变了天然气不便于携带的缺陷而具有十分广阔的前景。 随着对双燃料发动机的深入研究与科技的提高,双燃料发动机逐渐由低压缩比、低天然气替代率向着高压缩比、高天然气替代率的方向发展。双燃料发动机目前比较先进的是微引燃技术。本文即利用STAR-CD软件对CA6DL2-35E5RB天然气/柴进行了宏观参数和微观场的变化规律分析,目的是通过改变燃烧室的形状来实现柴油微引燃技术,提高天然气的替代率并减少由于替代率上升所引起的发动机爆震的发生。本研究结果表明： 1.柴油首先在燃烧室壁面处着火,之后火焰在燃烧室壁面多处出现,即同一时间在不同地方同时着火,之后高温区域开始由燃烧室四周扩散到燃烧室中心处。而天然气的燃烧是以柴油燃烧形成了火核为基础,天然气在多处同时着火,但着火位置并不是对称的,这是由气流流动的不均匀性造成的,且随着天然气替代率的增加,缸内最高压力下降,发动机输出功率下降,NO排放也呈下降趋势。 2.在压缩比,侧隙,顶隙都完全相同的情况下,只改变燃烧室的形状,其中1#为原机即缩口ω形燃烧室,2#为圆柱形燃烧室,3-1#燃烧室为花瓣型燃烧室。通过比较得知,原机的天然气排放水平较低,而Soot排放较高,这就说明了天然气的燃烧质量较高但柴油的燃烧质量较差,从而决定了原机无法实现高替代率下较高的燃烧质量,因为替代率较高时,柴油量下降,但由于柴油的燃烧质量较差,也将直接影响到天然气的燃烧过程,无法从根本上避免柴油单燃料发动机Soot排放高的问题。而花瓣型燃烧室有着较好的柴油燃烧质量,这就为柴油微引燃奠定了基础,而且也解决了柴油单燃料发动机Soot排放较高的问题,突出了双燃料发动机的优势,而天然气的燃烧速率等可以通过合理组织缸内流动加以提高。 3.花瓣型燃烧室喷射位置不同可使发动机的动力性,经济性,排放性能有所差异。本文选了四个喷射角度,分别为0°,-7.5°,-15°,-22.5°,对其宏观参数和微观场进行了分析,通过优化选择得到喷射角度为-22.5。为最佳喷射位置。 【关键词】：柴油/天然气发动机 燃烧室 喷射角度 CFD模拟
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK431
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 国内外汽车排放法规的发展12-13
• 1.2 能源问题13-14
• 1.3 天然气发动机的发展14-16
• 1.4 柴油/天然气双燃料发动机的发展16-17
• 1.5 数值模拟(CFD)及其在内燃机研究上的应用17-18
• 1.6 本研究主要内容18-20
• 第二章 柴油/天然气双燃料天然气发动机燃烧过程仿真20-28
• 2.1 基本控制方程20-21
• 2.1.1 能量守恒方程20
• 2.1.2 质量守恒方程20-21
• 2.1.3 动量守恒方程21
• 2.2 湍流模型21-22
• 2.3 喷雾、液滴破碎及撞壁模型22-23
• 2.3.1 喷雾模型22-23
• 2.3.2 液滴破碎模型23
• 2.3.3 撞壁模型23
• 2.4 着火、燃烧及排放物模型23-26
• 2.4.1 着火模型23-24
• 2.4.2 燃烧模型24-26
• 2.4.3 排放物模型26
• 2.4.3.1 NOx模型26
• 2.4.3.2 SOOT模型26
• 2.5 计算方法26-27
• 2.6 本章小结27-28
• 第三章 柴油/天然气双燃料发动机模拟平台的建立及有效性验证28-40
• 3.1 几何模型的建立28-29
• 3.2 计算网格的生成29-32
• 3.2.1 STL文件导入29
• 3.2.2 进、排气道及燃烧室网格生成29-30
• 3.2.3 ES-ICE动网格生成30-31
• 3.2.4 合并网格31-32
• 3.3 计算初始边界条件的设定32
• 3.4 模型的有效性验证32-39
• 3.4.1 模拟范围的确定32
• 3.4.2 初始、边界条件的获得32-33
• 3.4.3 基准点准确性验证33-34
• 3.4.4 着火及燃烧过程验证34-35
• 3.4.5 天然气替代率影响规律模拟结果趋势验证35-37
• 3.4.6 喷油时刻影响规律模拟结果趋势验证37
• 3.4.7 喷油脉宽影响规律模拟结果趋势验证37-38
• 3.4.8 压缩比影响规律模拟结果趋势验证38
• 3.4.9 验证结果38-39
• 3.5 本章小结39-40
• 第四章 柴油/天然气双燃料发动机燃烧模拟分析40-50
• 4.1 相关参数的定义40-41
• 4.2 燃烧过程分析41-48
• 4.3 本章小结48-50
• 第五章 燃烧室形状对柴油/天然气发动机燃烧影响的数值模拟50-82
• 5.1 燃烧室形状对缸内混合气形成及燃烧的影响50-67
• 5.1.1 模拟计算结果分析51-55
• 5.1.2 缸内参数场分析55-67
• 5.1.2.1 缸内柴油浓度场变化规律55-57
• 5.1.2.2 缸内天然气浓度场变化规律57-59
• 5.1.2.3 缸内混合气的速度场变化规律59-61
• 5.1.2.4 缸内混合气湍流动能变化规律61-63
• 5.1.2.5 缸内混合气温度场变化规律63-64
• 5.1.2.6 缸内NO浓度场变化规律64-66
• 5.1.2.7 缸内Soot浓度场变化规律66-67
• 5.2 花瓣形燃烧室形状优化研究67-80
• 5.2.1 模拟计算结果分析67-71
• 5.2.2 缸内参数场分析71-80
• 5.2.2.1 缸内柴油浓度场分析71-72
• 5.2.2.2 缸内天然气浓度场分布72-74
• 5.2.2.3 缸内混合气的速度场变化规律74-75
• 5.2.2.4 缸内混合气的湍流动能的变化规律75-77
• 5.2.2.5 缸内温度场的变化规律77-78
• 5.2.2.6 缸内混合气的NO浓度场的变化规律78-79
• 5.2.2.7 缸内混合气的soot浓度场的变化规律79-80
• 5.3 本章小结80-82
• 第六章 全文总结82-84
• 6.1 全文总结82-83
• 6.2 今后工作展望83-84
• 参考文献84-88
• 作者简介及科研成果88-90
• 致谢90

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