直喷式天然气发动机性能模拟研究与优化

【摘要】：2013年初以来的全国大范围的雾霾天气把汽车尾气排放问题推向了风口浪尖,从日趋严格的排放法规可以看出,目前内燃机开发设计的目标不仅仅看重动力是否强劲,清洁的燃料与低有害物质的排放越来越成为设计者与使用者关心的问题。天然气因其具资源丰富、价格低廉与排放污染低等优势成为内燃机的理想替代燃料。市面上可在原柴油机或汽油机的基础上进行相应改装,让汽车能更方便与广泛地使用天然气。本文以某发动机厂生产的4102柴油机为例,对改装而成的天然气发动机进行模拟研究,主要研究工作有： (1)基于GT-Power建立4102柴油机的整机模型,利用某发动机厂提供的台架实验数据来验证模型的正确性,待模型正确性验证后将其改装成直喷式天然气发动机。 (2)对影响天然气发动机燃烧与排放的诸多因素,如火花塞间隙,点火提前角,喷气提前角,空燃比等的影响进行模拟计算,分析各参数在不同负荷下对发动机缸内燃烧压力和温度、放热率、已燃天然气比率、有效扭矩、燃气消耗率与有害排放量的影响,为参数的优化提供依据。 (3)基于实验设计(DOE)优化方法对目标参数进行合理设计,利用统计学的方法对模拟出的大量数据进行方差分析与回归分析,得出拟合曲线。再用数学方法对拟合方程进行优化,并经验证后得出满足预期目标的参数优化组合。 研究结果表明： 以4102柴油机为基础改装的直喷式天然气发动机经优化后动力性可完全恢复,不同工况下,燃气消耗率比原柴油机稍高,排放比原柴油机低。同转速下,最佳点火提前角随负荷的减小而增大(即提前点火),喷气提前角随负荷的减小而减小(即推迟喷气),中大负荷发动机的空燃比较大经济性好,满负荷与小负荷时发动机经济性差；相同负荷下最佳点火提前角随转速增大而变大,喷气提前角随转速的增大而减小,空燃比随转速的增加而逐渐减小。 【关键词】：天然气发动机 点火提前角 喷气提前角 空燃比 实验设计优化
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK431
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-20
• 1.1 研究天然气发动机的必然性11-13
• 1.1.1 石油资源的短缺11
• 1.1.2 严格的排放法规11-13
• 1.2 天然气发动机发展历程13-16
• 1.2.1 国外天然气发动机发展与性能对比14-15
• 1.2.2 国内天然气发动机发展与性能对比15-16
• 1.3 直喷式天然气发动机的发展16-18
• 1.4 论文研究目的和意义18
• 1.5 论文研究主要内容18-20
• 第2章 仿真理论及数学模型20-29
• 2.1 假设条件20-21
• 2.2 缸内工作过程基本方程21-23
• 2.3 气缸周壁传热方程23-25
• 2.4 缸内燃烧过程模拟计算方程25-27
• 2.4.1 韦伯燃烧模型25-26
• 2.4.2 火花塞引燃式发动机的湍流火焰模型26-27
• 2.5 进排气管工作过程模拟计算方程27-29
• 第3章 仿真建模与验证29-40
• 3.1 柴油机与天然气机的主要模块29-34
• 3.1.1 进排气系统模块29-30
• 3.1.2 喷油器模块30
• 3.1.3 气缸模块30-31
• 3.1.4 曲轴箱模块31
• 3.1.5 排放模块31-32
• 3.1.6 优化模块32-34
• 3.2 柴油机的整机模型的建立34-35
• 3.3 柴油机模型的验证35-36
• 3.4 天然气发动机模型36-37
• 3.5 天然气发动机性能仿真37-38
• 3.6 恢复天然气发动机动力性的措施38-40
• 第4章 天然气发动机关键参数的模拟研究40-67
• 4.1 火花塞间隙对天然气发动机性能的影响40-47
• 4.1.1 火花塞间隙对燃烧的影响41-45
• 4.1.2 火花塞间隙对动力性及经济性的影响45-46
• 4.1.3 火花塞间隙对排放的影响46-47
• 4.2 点火提前角对天然气发动机性能的影响47-54
• 4.2.1 点火提前角对燃烧特性的影响48-51
• 4.2.2 点火提前角对动力性及经济性的影响51-52
• 4.2.3 点火提前角对排放的影响52-54
• 4.3 喷气提前角对天然气发动机性能的影响54-60
• 4.3.1 喷气提前角对燃烧特性的影响54-57
• 4.3.2 喷气提前角对动力性经济性的影响57-59
• 4.3.3 喷气提前角对排放的影响59-60
• 4.4 过量空气系数对天然气发动机的影响60-67
• 4.4.1 过量空气系数对燃烧特性的影响60-64
• 4.4.2 过量空气系数对动力性与经济性的影响64-65
• 4.4.3 过量空气系数对排放的影响65-67
• 第5章 基于DOE的多参数优化67-84
• 5.1 优化数学模型68
• 5.2 建立试验矩阵与选的拟合模型68-69
• 5.3 方差分析(ANOVA)69-71
• 5.4 回归分析71-75
• 5.4.1 两个确定系数72
• 5.4.2 残差分析72-75
• 5.5 回归方程75-81
• 5.6 试验优化81-84
• 结论84-86
• 1. 结论84-85
• 2. 不足与展望85-86
• 致谢86-87
• 参考文献87-91
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果91

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