四沖程自由活塞天然氣發(fā)動機(jī)的研究

【摘要】：增程式電動汽車和混合動力汽車是當(dāng)前汽車工業(yè)研究與開發(fā)熱點(diǎn),基于Atkinson循環(huán)的自由活塞發(fā)動機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、燃料適應(yīng)性廣和熱效率高等優(yōu)點(diǎn)非常適合作為動力裝置用于增程式電動汽車和混合動力汽車。隨著汽車工業(yè)發(fā)展和石油資源日趨枯竭,天然氣因資源豐富和清潔燃燒而成為當(dāng)前汽車替代能源的首選,可同時兼顧現(xiàn)有能源與清潔能源的自由活塞天然氣發(fā)動機(jī)日趨受到重視。為充分發(fā)揮自由活塞天然氣發(fā)動機(jī)的優(yōu)勢,改善發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性,本文以試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對四沖程自由活塞天然氣發(fā)動機(jī)熱力過程進(jìn)行分析。為分析四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃料能量轉(zhuǎn)換過程的優(yōu)劣及其主要影響因素,依據(jù)四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)工作原理,對其工作過程進(jìn)行適當(dāng)簡化,建立基于缸外獨(dú)立壓縮的四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)理論循環(huán)模型。應(yīng)用熱力學(xué)第一定律和第二定律對其進(jìn)行分析,結(jié)果表明,基于Atkinson循環(huán)的四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)循環(huán)熱效率和(?)效率都高于傳統(tǒng)Otto循環(huán)發(fā)動機(jī),膨脹比增大可以提高發(fā)動機(jī)熱效率。分別定義了最優(yōu)膨脹比和膨脹比極限,膨脹比極限小于最優(yōu)膨脹比,因此自由活塞發(fā)動機(jī)達(dá)不到理論計算的最大熱效率。在確保缸內(nèi)壓縮終點(diǎn)壓力和溫度可順利點(diǎn)火的情況下,缸外壓縮比缸內(nèi)壓縮更有利。在原四沖程自由活塞汽油機(jī)原理樣機(jī)基礎(chǔ)上,設(shè)計天然氣電控噴射系統(tǒng),改進(jìn)點(diǎn)火系統(tǒng),搭建四沖程自由活塞天然氣發(fā)動機(jī)原理樣機(jī)試驗(yàn)平臺,并在完成試驗(yàn)設(shè)計基礎(chǔ)上,對四沖程自由活塞天然氣發(fā)動機(jī)原理樣機(jī)主要性能進(jìn)行測試、對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,驗(yàn)證四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)的多燃料適應(yīng)性?；谧杂苫钊\(yùn)動特點(diǎn),建立自由活塞動力學(xué)模型；借用通用流體計算軟件平臺,開發(fā)逐步解算自由活塞運(yùn)動規(guī)律計算模塊；依據(jù)建立的四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)缸內(nèi)工作過程多維瞬態(tài)數(shù)值模擬計算模型,探討自由活塞運(yùn)動規(guī)律對缸內(nèi)流場的影響并對所建模型進(jìn)行校驗(yàn),給定規(guī)律下缸內(nèi)壓力的預(yù)測曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好,進(jìn)一步說明整個缸內(nèi)工作過程多維瞬態(tài)數(shù)值模擬中全過程模擬計算的真實(shí)性、數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性和活塞運(yùn)動規(guī)律定義的合理性。在自由活塞發(fā)動機(jī)全過程多維瞬態(tài)數(shù)值模擬計算的基礎(chǔ)上,分析氣門正時、活塞頂部形狀、點(diǎn)火正時、缸外獨(dú)立壓縮、壓縮比與膨脹比等主要參數(shù)對自由活塞發(fā)動機(jī)性能的影響,中低運(yùn)轉(zhuǎn)頻率下,氣門正時和氣門升程對循環(huán)進(jìn)氣量影響較小,循環(huán)進(jìn)氣量主要隨進(jìn)氣沖程長度線性增加;活塞頂部形狀由平頂改為凸頂后,在發(fā)動機(jī)運(yùn)動頻率不變的情況下,增大了壓縮比,提高了換氣效率；自由活塞對壓力非常敏感,壓縮比的增大、點(diǎn)火時刻的提前和任何加快燃燒反應(yīng)進(jìn)程的因素,均會影響活塞運(yùn)動；用數(shù)值模擬計算方法分析了調(diào)整電磁力對壓縮比的改變,進(jìn)而通過變壓縮比對爆震進(jìn)行有效抑制。 【關(guān)鍵詞】：自由活塞發(fā)動機(jī) 四沖程 壓縮天然氣 工作過程
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：U464.174
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 符號表16-18
• 1 緒論18-31
• 1.1 課題研究的目的與意義18-20
• 1.2 自由活塞發(fā)動機(jī)簡介20-22
• 1.2.1 自由活塞發(fā)動機(jī)分類20-21
• 1.2.2 自由活塞發(fā)動機(jī)應(yīng)用發(fā)展歷程21-22
• 1.3 自由活塞發(fā)動機(jī)研究現(xiàn)狀22-27
• 1.3.1 自由活塞發(fā)動機(jī)原理樣機(jī)試驗(yàn)研究現(xiàn)狀22-25
• 1.3.2 自由活塞發(fā)動機(jī)數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀25-27
• 1.4 天然氣發(fā)動機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢27-29
• 1.4.1 天然氣作為發(fā)動機(jī)替代能源的優(yōu)勢27-28
• 1.4.2 單燃料天然氣發(fā)動機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢28-29
• 1.5 本文主要研究內(nèi)容29-31
• 2 四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)熱力學(xué)模型31-48
• 2.1 四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)構(gòu)成及工作原理31-32
• 2.1.1 四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)構(gòu)成31
• 2.1.2 四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)工作原理31-32
• 2.1.3 四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)32
• 2.2 四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)理論循環(huán)熱力學(xué)分析32-42
• 2.2.1 理論循環(huán)32-33
• 2.2.2 理論循環(huán)熱力學(xué)模型33
• 2.2.3 理論循環(huán)熱力學(xué)分析33-42
• 2.3 四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)理論循環(huán)(?)分析42-47
• 2.3.1 自由活塞發(fā)動機(jī)理想熱力循環(huán)過程(?)分析計算模型42
• 2.3.2 自由活塞發(fā)動機(jī)理想熱力循環(huán)過程(?)分析42-44
• 2.3.3 結(jié)果分析44-47
• 2.4 本章小結(jié)47-48
• 3 四沖程自由活塞天然氣發(fā)動機(jī)原理樣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計與試驗(yàn)48-57
• 3.1 原理樣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計48-51
• 3.1.1 CNG噴射系統(tǒng)49-50
• 3.1.2 點(diǎn)火系統(tǒng)50-51
• 3.1.3 CNG供氣系統(tǒng)51
• 3.2 試驗(yàn)測試裝置51-52
• 3.3 四沖程自由活塞天然氣發(fā)動機(jī)原理樣機(jī)及試驗(yàn)臺架52
• 3.4 CNG燃料理論空燃比計算52-53
• 3.5 樣機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)53-54
• 3.6 試驗(yàn)結(jié)果分析54-56
• 3.6.1 進(jìn)氣沖程長度對系統(tǒng)性能的影響54
• 3.6.2 壓縮比對系統(tǒng)性能的影響54-55
• 3.6.3 膨脹比對系統(tǒng)性能的影響55
• 3.6.4 點(diǎn)火時刻對系統(tǒng)性能的影響55-56
• 3.7 本章小結(jié)56-57
• 4 四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)三維數(shù)值模擬及驗(yàn)證57-79
• 4.1 四沖程自由活塞發(fā)動機(jī)三維數(shù)值模擬計算過程57-58
• 4.2 數(shù)學(xué)模型的建立58-61
• 4.2.1 基本控制方程58
• 4.2.2 湍流流動模型58-59
• 4.2.3 傳熱模型59
• 4.2.4 燃燒模型59-61
• 4.3 三維幾何模型的建立61
• 4.4 計算網(wǎng)格的劃分61-63
• 4.5 電磁驅(qū)動配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律的實(shí)現(xiàn)63
• 4.6 自由活塞運(yùn)動規(guī)律的實(shí)現(xiàn)63-68
• 4.6.1 傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)活塞運(yùn)動規(guī)律的實(shí)現(xiàn)63-64
• 4.6.2 自由活塞運(yùn)動特點(diǎn)64
• 4.6.3 自由活塞動力學(xué)模型64-65
• 4.6.4 自由活塞運(yùn)動規(guī)律的確定65-67
• 4.6.5 自由活塞動網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)67-68
• 4.7 初始條件與邊界條件的確定68-69
• 4.8 計算方法69-70
• 4.9 模型驗(yàn)證70
• 4.10 計算結(jié)果分析70-78
• 4.10.1 缸內(nèi)進(jìn)氣過程流場分析71-73
• 4.10.2 缸內(nèi)壓縮過程流場分析73-75
• 4.10.3 燃燒過程分析75-78
• 4.11 本章小結(jié)78-79
• 5 四沖程自由活塞天然氣發(fā)動機(jī)性能的影響因素79-112
• 5.1 進(jìn)氣門運(yùn)動對四沖程自由活塞天然氣發(fā)動機(jī)性能的影響79-88
• 5.1.1 可變進(jìn)氣門正時對自由活塞發(fā)動機(jī)進(jìn)氣沖程的影響79-82
• 5.1.2 可變氣門升程對自由活塞發(fā)動機(jī)進(jìn)氣沖程的影響82-88
• 5.2 壓縮比對四沖程自由活塞天然氣發(fā)動機(jī)性能的影響88-104
• 5.2.1 增大進(jìn)氣沖程長度改變壓縮比對自由活塞發(fā)動機(jī)性能影響88-92
• 5.2.2 活塞頂部形狀對缸內(nèi)流動和燃燒的影響92-101
• 5.2.3 自由活塞天然氣發(fā)動機(jī)對爆震的抑制101-104
• 5.3 點(diǎn)火時刻對四沖程自由活塞天然氣發(fā)動機(jī)缸內(nèi)流場的影響104-107
• 5.4 過量空氣系數(shù)的影響107-108
• 5.5 缸外獨(dú)立壓縮對四沖程自由活塞天然氣發(fā)動機(jī)性能的影響108-110
• 5.6 可變膨脹沖程對四沖程自由活塞天然氣發(fā)動機(jī)性能的影響110
• 5.7 本章小結(jié)110-112
• 6 總結(jié)與展望112-115
• 6.1 全文總結(jié)112-113
• 6.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)113
• 6.3 工作展望113-115
• 致謝115-116
• 參考文獻(xiàn)116-124
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科研情況124
• 1. 已發(fā)表論文124
• 2. 參與科研情況124

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