天然气发动机工作过程及进气均匀性研究

【摘要】：随着汽车保有量的增加,汽车尾气成为主要的大气污染源之一。由汽车尾气等导致的大面积的雾霾天气严重影响到人们的健康问题,成为经济高速发展的代价和困扰中国政府的难题。天然气作为车用燃料具有易于组织燃烧、污染排放物低、温室气体排放低、来源广泛等优点。 本文以6108型天然气发动机为研究对象,建立了包括进气道在内的多种燃烧系统三维计算模型,模拟了发动机的进气、燃烧过程,比较不同几何参数的燃烧室对发动机气缸内流动过程和燃烧过程的影响。建立了6108天然气发动机一维工作过程模型并验证了模型的准确性。利用所建立的模型,以改善发动机的动力性、经济性和排放性为目标,优化发动机的配气相位；以提高低速扭矩为目标匹配了涡轮增压器；并研究了不同进、排气系统布置方式对发动机工作均匀性的影响。 三维燃烧过程数值计算表明：适当增加挤气面积有利于缸内气流运动的加强,加快后续的火焰传播,但挤气面积过大,缩口过小会导致气缸横截面气流漩涡中心靠近气缸轴心,从而限制火焰向气缸四周的传播,计算方案一及方案二的结构对缸内气流运动的形成和火焰传播速率的加快更为有利。 通过分析配气相位对发动机综合性能的影响,确定6108天然气发动机进气门开启时刻为上止点前15°,进气门关闭时刻为下止点后20°,排气门开启时刻为上止点前53°,排气门关闭时刻为上止点后12°时可以兼顾动力性、经济性和排放性。优化匹配的增压器压气机工作在高效区、远离喘振线,涡轮工作在高效区,可以有效改善低速扭矩,适合城市公交车运行模式。 发动机进气均匀性计算结果表明：进气总管中间进气和排气总管中间排气更有利于发动机各缸工作均匀性的改善,进气系统结构导致的发动机工作不均匀是整个外特性工况下发动机工作不均匀最主要的因素,而排气系统结构会影响进气过程、残余废气和泵气损失,继而影响到气缸的对外做功能力,特别是在高速工况下,右侧进、排气系统布置会导致发动机进气和做功不均匀度的升高。 综上所述,本文对6108天然气发动机的燃烧系统、配气相位、涡轮增压器的匹配性及各缸工作均匀性进行了较为系统的研究。优化出了燃烧室结构参数和兼顾发动机动力性、经济性和排放性的配气相位,匹配了提高低速扭矩的增压器,提出了改善发动机各缸工作均匀性的进、排气系统布置方式。为天然气发动机的性能优化提供了一定的研究基础。 【关键词】：天然气发动机 燃烧系统 配气相位 涡轮增压器 进气均匀性
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U464.174
【目录】：

• 摘要10-12
• ABSTRACT12-15
• 符号说明15-16
• 第1章 绪论16-25
• 1.1 引言16-17
• 1.2 天然气的物理化学特性及作为发动机燃料的优缺点17-19
• 1.3 天然气发动机的分类19-22
• 1.3.1 点燃式天然气发动机19-21
• 1.3.2 柴油引燃天然气发动机21-22
• 1.4 湍流火焰燃烧模型研究现状22
• 1.5 发动机工作均匀性的研究现状22-24
• 1.6 本课题主要研究内容24-25
• 第2章 燃烧过程模拟及燃烧室优化设计25-45
• 2.1 燃烧模型25-30
• 2.1.1 化学动力学反应25-26
• 2.1.2 燃料反应速率26
• 2.1.3 热力学量26-27
• 2.1.4 点火模型27-29
• 2.1.5 火焰表面密度方程的层流项29-30
• 2.2 计算方案30
• 2.3 计算网格30-31
• 2.4 流体初始条件及壁面边界条件31-32
• 2.5 计算结果分析32-44
• 2.5.1 压缩过程缸内气流运动32-35
• 2.5.2 点火前缸内气流运动35-39
• 2.5.3 缸内火焰传播状态分析39-43
• 2.5.4 放热率分析43-44
• 2.6 本章小结44-45
• 第3章 发动机一维工作过程模型的建立45-57
• 3.1 数学模型45-50
• 3.1.1 流体动力学模型45-47
• 3.1.2 传热模型47-48
• 3.1.3 燃烧模型48-50
• 3.2 模型的建立50-53
• 3.2.1 研究对象及主要参数50
• 3.2.2 计算模型的建立50-53
• 3.3 模型的验证53-56
• 3.3.1 外特性模型标定53-55
• 3.3.2 大扭矩点负荷特性标定55-56
• 3.4 本章小结56-57
• 第4章 天然气发动机配气相位及增压器优化匹配57-74
• 4.1 配气相位优化57-66
• 4.1.1 配气相位对天然气发动机性能的影响57-59
• 4.1.2 配气相位优化模拟计算59-66
• 4.2 增压器优化匹配66-73
• 4.2.1 增压器数学模型66-68
• 4.2.2 增压器优化匹配计算68-73
• 4.3 本章小结73-74
• 第5章 天然气发动机工作均匀性研究74-86
• 5.1 进排气系统布置方案74-75
• 5.2 工作均匀性分析75-84
• 5.2.1 进气均匀性分析75-78
• 5.2.2 残余废气系数分析78-80
• 5.2.3 做功均匀性分析80-82
• 5.2.4 最大不均匀度及不均匀度相关性分析82-84
• 5.3 本章小结84-86
• 第6章 全文总结与展望86-88
• 6.1 全文总结86-87
• 6.2 工作展望87-88
• 参考文献88-92
• 致谢92-93
• 学位论文评阅及答辩情况表93

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