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4100QB-2柴油机燃用生物柴油缸内工作过程模拟及试验研究

作　者: 孔德芳
导　师: 沈颖刚
学　校: 昆明理工大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 生物柴油柴油机性能研究 AVL FIRE 数值模拟
分类号: TK427
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

由于生物柴油与柴油在理化特性、雾化和燃烧特性方面存在差异,将生物柴油广泛应用于发动机并实现发动机高效、洁净燃烧还需进行深入的理论和试验研究。因此通过建立生物柴油发动机的燃烧模型,应用计算机模拟技术和数值计算方法对发动机运行和结构参数进行匹配分析和性能研究,能够为优化生物柴油发动机的各项参数、提高发动机的综合性能提供有力的分析手段。本文使用FIRE软件对4100QB-2发动机燃用生物柴油和柴油时缸内工作过程进行模拟。根据4100QB-2柴油机的结构设计要求,用CAD建立几何模型,生成燃烧室计算网格,结合相关文献确定初始参数和边界条件。分别研究了3200rpm不同负荷工况下燃用5个不同掺比的生物柴油／柴油燃料时以及2200rpm全负荷工况下燃油生物柴油燃料时的动力性,经济性,排放性能。并通过改变喷油提前角、缸内初始涡流比大小以及喷孔直径和数目进一步研究该机型燃用生物柴油时和发动机各参数的匹配。采用4100QB-2柴油机在3200rpm下燃用生物柴油时的负荷特性进行了实验,对计算结果进行试验验证。研究结果表明：最大扭矩工况下,缸内最高爆发压力、峰值放热率、NO排放和Soot生成量较标定工况时高。随着喷油提前角的缩小,缸内温度和压力的峰值降低,喷油每推迟2。CA,NO排放平均降低约13.85%,Soot排放升高约14.8%。随着初始涡流比水平的提高,缸内峰值温度和峰值压力升高幅度很小,峰值放热率升高；涡流比从1.3、1.5增加到1.8时,NO排放升高了约8.0%,Soot的排放水平降低7.2%,随着喷孔数目的增加,发动机的功率、扭矩、缸内峰值温度、峰值压力以及NO和Soot排放小幅上升。在耗油量相同时,发动机的扭矩和功率随着生物柴油掺比的增大而降低。在相同负荷运行时,燃用生物柴油与燃用B0燃料相比,发动机缸内温度和压力变化不大,放热提前,NO排放升高约33.1%,Soot排放低约28.7%。试验验证结果表明模拟计算结果和实验结果基本吻合,比油耗最大误差为15.7%。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-15
  1.1 课题研究的背景及意义  9-12
    1.1.1 能源危机  9-11
    1.1.2 汽车排放主要污染物的危害  11
    1.1.3 汽车污染物的排放法规  11-12
  1.2 发动机生物柴油缸内燃烧国内外研究现状  12-13
    1.2.1 生物柴油的生产应用现状  12-13
  1.3 本文研究的主要内容和进行的工作  13-14
  1.4 本章小结  14-15
第二章发动机缸内工作过程的理论模型  15-26
  2.1 柴油机湍流流动模型的发展  15-16
  2.2 柴油机燃烧模型的发展  16-18
    2.2.1 零维模型  16-17
    2.2.2 准维模型  17-18
    2.2.3 多维模型  18
  2.3 柴油机工作过程的控制方程  18-21
    2.3.1 能量守恒方程  18-19
    2.3.2 动量守恒方程  19
    2.3.3 组分守恒方程  19-20
    2.3.4 连续性方程  20
    2.3.5 湍流模型  20-21
  2.4 数值计算方法  21-23
  2.5 AVL Fire软件  23-25
  2.6 本章小结  25-26
第三章 4100QB-2发动机工作过程模型  26-39
  3.1 几何模型的建立和网格生成  26-27
  3.2 柴油机缸内工作过程基本假设  27-28
  3.3 基本模型的选择  28-34
    3.3.1 喷雾模块  28-32
    3.3.2 燃烧模型  32-34
  3.4 排放物生成模型  34-37
  3.5 初始条件和边界条件  37
  3.6 试验用生物柴油的物理化学性质  37-38
  3.7 本章小结  38-39
第四章参数变化对生物柴油发动机性能的影响研究  39-64
  4.1 4100QB-2柴油机的负荷特性研究  39-45
    4.1.1 不同负荷下的发动机的经济性和动力性研究  39-40
    4.1.2 负荷对缸内温度和压力的影响研究  40-42
    4.1.3 负荷对缸内放热率的影响研究  42-43
    4.1.4 负荷对NO排放的影响研究  43-44
    4.1.5 负荷对Soot排放的影响研究  44-45
  4.2 4100QB-2柴油机外特性的仿真研究  45-49
    4.2.1 不同转速下的经济性和动力性研究  46
    4.2.2 转速对缸内温度和压力的影响研究  46-47
    4.2.3 转速对缸内放热率的影响研究  47-48
    4.2.4 转速对缸内NO生成的影响研究  48
    4.2.5 转速对缸内Soot生成的影响研究  48-49
  4.3 喷油提前角对发动机性能的影响  49-54
    4.3.1 喷油提前角对发动机动力性和经济性的影响研究  49-50
    4.3.2 喷油提前角对缸内温度和压力的影响研究  50-51
    4.3.3 喷油提前角对缸内放热率的影响研究  51-52
    4.3.4 喷油提前角对缸内NO的影响研究  52-53
    4.3.5 喷油提前角对Soot排放的影响研究  53-54
  4.4 涡流比对发动机性能的影响研究  54-58
    4.4.1 涡流比对发动机动力性和经济性的影响研究  54
    4.4.2 涡流比对缸内温度和压力的影响研究  54-55
    4.4.3 涡流比对缸内放热率的影响  55-56
    4.4.4 涡流比对缸内NO的影响  56-57
    4.4.5 涡流比对缸内Soot的影响  57-58
  4.5 喷孔直径和数目对发动机性能的影响研究  58-62
    4.5.1 喷孔直径和数目对发动机动力性和经济性的影响研究  58-59
    4.5.2 喷孔直径和数目对缸内温度和压力的影响研究  59-60
    4.5.3 喷孔直径和数目对缸内放热率的影响研究  60-61
    4.5.4 喷孔直径和数目对缸内NO排放的影响研究  61
    4.5.5 喷孔直径和数目对缸内Soot排放的影响研究  61-62
  4.6. 本章小结  62-64
第五章生物柴油掺比对发动机性能影响的计算研究  64-68
  5.1 掺烧不同比例生物柴油对发动机动力性能的影响研究  64-65
  5.2 生物柴油对缸内温度和压力的影响研究  65
  5.3 生物柴油对缸内放热率的影响研究  65-66
  5.4 生物柴油对NO排放的影响研究  66
  5.5 生物柴油对soot排放的影响研究  66-67
  5.6 本章小结  67-68
第六章计算结果验证及分析  68-72
  6.1 台架试验  68-69
    6.1.1 试验用发动机  68-69
    6.1.2 基本仪器和设备  69
  6.2 计算结果验证分析  69-70
  6.3 本章小结  70-72
第七章全文总结与工作展望  72-74
  7.1 全文工作总结  72-73
  7.2 工作展望  73-74
参考文献  74-77
致谢  77-78
附录A  78

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