大型天然气发动机燃烧室的优化与改进

【摘要】：21世纪以来，由于地球生态环境的不断恶化，寻找一种洁净环保的代用燃料就成为当代内燃机行业的研究重点。由于天然气是洁净环保燃料，因此，天然气发动机受到人们的广泛关注。相比传统燃料发动机，天然气发动机的排放性能优越，但其燃烧速度较为缓慢，后燃现象较为严重，排气温度较高。稀薄燃烧技术是降低天然气发动机的排气温度的有效措施，但稀燃后的缸内燃烧速度更加缓慢，甚至导致失火。 本文通过改进天然气发动机的燃烧室部件，加快稀薄燃烧时缸内气体流动速度，加大湍流动能，进而加快燃烧速度，减少燃烧持续期，以同时达到快速燃烧、降低排气温度的目的。 基于KIVA程序组，本文建立天然气发动机的燃烧室模型。首先通过改变燃烧室的形状，加快汽缸内气体流动速度，加大湍流强度，进而改善发动机的燃烧，降低排气温度。由于缸内气体流动改善幅度较小，提出了基于燃烧室偏心的二次改进方案。最终，综合气体流动速度、湍流强度以及流动地均匀性，选定在X方向上偏移0.3cm的收口盆形燃烧室为最优方案。 对改进后的天然气发动机进行了台架性能试验，采集相关试验数据，并与原燃烧室发动机的试验数据进行对比。对比结果表明：天然气发动机采用新燃烧室后，排气温度得到有效降低，燃气经济性得到提高，燃气消耗量较原燃烧室发动机最大降低11.4%。 在700KW工况点，采用新燃烧室后过量空气系数达到1.78，高于原活塞发动机，使发动机的稀燃性能得到提升；燃气消耗量降低了8.5%，有效地减少了燃气消耗量；最大缸内压力增大了0.845MPa，最大缸内压力时刻提前了2度，火焰发展期减小了6度，快速燃烧期减小了6度。 【关键词】：天然气发动机 数值模拟 台架试验
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK403
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• Abstract9-13
• 插图清单13-15
• 表格清单15-16
• 第一章 绪论16-24
• 1.1 研究背景16-17
• 1.1.1 环境污染16-17
• 1.1.2 能源危机17
• 1.2 天然气的性质及其发展17-20
• 1.2.1 天然气性质17-18
• 1.2.2 天然气发展分析18-19
• 1.2.3 天然气发动机的发展19
• 1.2.4 天然气发动机稀燃技术19-20
• 1.3 国内外天然气发动机研究现状20-23
• 1.3.1 国内天然气发动机研究现状20-21
• 1.3.2 国外天然气发动机研究21-23
• 1.4 主要研究内容23-24
• 第二章 KIVA 程序和后处理软件介绍24-32
• 2.1 引言24
• 2.2 KIVA 软件发展简介24-25
• 2.2.1 KIVA 软件的诞生24
• 2.2.2 KIVA 软件的发展24-25
• 2.3 KIVA 程序的结构和功能25-30
• 2.3.1 KIVA 程序的结构25-27
• 2.3.2 KIVA 程序中的数学方程27-29
• 2.3.3 KIVA 程序中的湍流模型29-30
• 2.4 后处理软件（Fieldview）介绍30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 天然气发动机燃烧室的改进设计32-42
• 3.1 天然气发动机的主要参数32
• 3.2 建立基于形状变化的燃烧室网格32-36
• 3.2.1 KIVA 网格划分方法32-34
• 3.2.2 建立天然气发动机燃烧室网格34-36
• 3.3 缸内流场仿真结果分析36-41
• 3.3.1 燃烧室内气体流动分析36-39
• 3.3.2 燃烧室湍流动能分析39-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 天然气发动机燃烧室的二次改进42-52
• 4.1 基于燃烧室偏心的二次改进42
• 4.2 二次改进方案的网格建立42-44
• 4.3 缸内流场仿真结果分析44-50
• 4.3.1 缸内气体流动分析44-48
• 4.3.2 缸内湍流动能分析48-50
• 4.3.3 确立最佳燃烧室50
• 4.4 本章小结50-52
• 第五章 天然气发动机试验及结果分析52-65
• 5.1 引言52
• 5.2 试验装置52-55
• 5.3 试验目的与布置55
• 5.3.1 试验目的55
• 5.3.2 试验布置55
• 5.4 试验结果分析55-63
• 5.4.1 发动机排温数据分析55-58
• 5.4.2 发动机过量空气系数58-60
• 5.4.3 发动机经济性60-61
• 5.4.4 发动机缸内数据分析61-63
• 5.5 本章小结63-65
• 第六章 全文总结与展望65-67
• 6.1 全文总结65
• 6.2 展望65-67
• 参考文献67-70
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况70-71

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