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柴油微引缸内直喷天然气发动机燃烧过程仿真研究

作　者: 陈长军
导　师: 高莹
学　校: 吉林大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 柴油微引燃缸内直喷天然气发动机 STAR-CD
分类号: TK431
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着能源危机的加剧和排放法规的日益严格,人们提高了对天然气发动机的重视。由于普通天然气发动机具有充气效率低、动力不足、冷启动困难、HC排放高等缺点,一直未能得到推广。柴油微引燃缸内直喷天然气发动机由于采用高压直喷技术,使天然气发动机在保证发动机动力性与经济性的基础上,NO排放降低45%,CO2排放降低25%,PM显著降低,HC排放远低于柴油机。在柴油微引燃缸内直喷天然气发动机中,燃料的喷射、混合气的形成等都对缸内的燃烧过程起着重要的作用。作为主要的燃料,天然气的喷气定时与喷气压力直接决定了缸内混合气的分布情况,从而影响燃烧过程及排放物的生成。因此,研究天然气喷气定时和喷气压力对燃烧过程的影响,对于揭示柴油微引燃缸内直喷天然气发动机的燃烧机理是很有必要的。本文应用STAR-CD软件对柴油微引燃缸内直喷天然气发动机缸内喷射及燃烧过程进行了仿真计算,主要研究了喷气定时和喷气压力对缸内燃烧过程的影响。主要工作内容有：1利用三维CAD软件Pro/E,对柴油微引燃缸内直喷天然气发动机进行几何建模；2利用CFD前处理软件ICEM-CFD对该几何模型进行网格划分；3利用三维CFD仿真软件STAR-CD进行物理建模并进行仿真计算；4通过与国外试验数据对比,对模型的有效性进行验证5研究了喷气定时和喷气压力对柴油微引燃缸内直喷天然气发动机燃烧过程的影响规律,为下一步的工程应用与开发奠定了基础。通过仿真研究主要得到了如下结论：1当引燃柴油喷油定时为10BTDC,喷油持续期为1°CA,循环喷油量为2mg,天然气喷气定时为5BTDC时,在天然气开始喷射时刻,引燃柴油已经燃烧了约94.5%,柴油的燃烧过程基本结束；2天然气缸内高压直喷可使缸内速度场高达500m/s以上,湍动能高达1.5e+04m2/s2,湍流强度和湍动能的增强可以强化缸内混合过程,从而加快燃烧速度,这对燃烧速度相对较慢的天然气来说意义重大；3随着喷气定时的推后,高压持续期缩短,燃烧持续期增加,缸内平均压力和平均温度的峰值逐渐减小,且峰值出现的时刻不断增大,喷气定时每推后5°CA,缸内平均压力约降低16%；随着喷气定时的推后,天然气高压喷射对缸内流场的冲击作用减弱,混合气的浓度不断降低,范围不断减小,导致缸内高温区的出现的时刻不断推后,并且高温区的范围不断缩小,利于NO的排放,同时将导致HC、CO及PM的排放量增加；4随着天然气喷气压力的提高,喷气速率增加,喷射持续期缩短,当压力为17MP、21MP和25MP时,喷射持续期分别为10.6°CA、9.5°CA和8.5°CA；提高喷气压力,缸内平均压力的峰值升高,并且峰值均出现在367°CA左右,但是平均压力升高的百分比不足4%,可以认为提高喷气压力对缸内平均压力影响不大,而缸内平均温度的峰值随喷气压力的提高而增大,并且峰值出现的时刻稍有提前；随着天然气喷气压力的提高,天然气喷束的贯穿距增大,缸内空气利用率得到了提高,从而改善缸内天然气与空气的混合,缸内高温区的范围不断扩大,NO的排放不断增加,HC的排放不断减少。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第1章绪论  11-23
  1.1 引言  11-12
    1.1.1 能源问题及可替代能源  11
    1.1.2 排放问题及排放法规  11-12
  1.2 天然气发动机的发展状况  12-15
  1.3 柴油微引燃缸内直喷天然气发动机  15-21
    1.3.1 柴油微引燃缸内直喷天然气发动机的发展现状  15-18
    1.3.2 柴油微引燃缸内直喷天然气发动机高压供给及控制系统  18-21
  1.4 CFD技术在内燃机研究中的应用  21
  1.5 本文主要研究内容  21-23
第2章数值模拟基础  23-29
  2.1 基本守恒方程  23-24
    2.1.1 质量守恒方程  23
    2.1.2 动量守衡方程  23
    2.1.3 能量守恒方程  23-24
  2.2 仿真模型的选择  24-27
    2.2.1 湍流模型  24
    2.2.2 喷射模型  24-25
    2.2.3 燃烧模型  25-26
    2.2.4 排放模型  26-27
  2.3 本章小结  27-29
第3章仿真建模及模型的有效性验证  29-35
  3.1 发动机参数  29
  3.2 计算网格的建立  29-32
  3.3 计算初始条件和边界条件  32
  3.4 模型的验证  32-33
  3.5 本章小结  33-35
第4章柴油微引燃缸内直喷天然气发动机燃烧过程仿真研究  35-65
  4.1 发动机模拟工况的选择  35-36
  4.2 柴油微引燃缸内直喷天然气发动机缸内混合气形成及燃烧特征  36-41
    4.2.1 缸内流场变化  36-39
    4.2.2 缸内浓度场变化  39-40
    4.2.3 缸内温度场变化  40-41
  4.3 喷气定时对柴油微引燃缸内直喷天然气发动机燃烧过程的影响  41-52
    4.3.1 不同喷气定时下速度场变化  42-45
    4.3.2 不同喷气定时下浓度场变化  45-47
    4.3.3 不同喷气定时下温度场变化  47-49
    4.3.4 不同喷气定时下排放物变化  49-52
  4.4 喷气压力对柴油微引燃缸内直喷天然气发动机燃烧过程的影响  52-62
    4.4.1 不同喷气压力下速度场变化  53-55
    4.4.2 不同喷气压力下浓度场变化  55-57
    4.4.3 不同喷气压力下温度场变化  57-60
    4.4.4 不同喷气压力下排放物变化  60-62
  4.5 本章小结  62-65
第5章全文总结及工作展望  65-67
  5.1 全文总结  65-66
  5.2 工作展望  66-67
参考文献  67-71
致谢  71

柴油微引缸内直喷天然气发动机燃烧过程仿真研究

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