燃燒室形狀對柴油天然氣發(fā)動機燃燒影響的研究

【摘要】：我國是石油資源的消耗大國,而本國的資源不足以滿足自身的消耗。傳統(tǒng)的汽車行業(yè)對石油資源有很大的依賴,因而,能源多元化成了汽車行業(yè)發(fā)展的主流趨勢。在這些替代能源中,天然氣因其儲量豐富、辛烷值高、排放污染低、價格低廉,被許多研究機構譽為未來車用發(fā)動機最有潛力的替代燃料。天然氣在內(nèi)燃機中分類按燃料的使用和同時使用種類主要分為以下三種：單一燃料發(fā)動機、兩用燃料發(fā)動機和雙燃料發(fā)動機。其中,雙燃料發(fā)動機又因為其改變了天然氣不便于攜帶的缺陷而具有十分廣闊的前景。 隨著對雙燃料發(fā)動機的深入研究與科技的提高,雙燃料發(fā)動機逐漸由低壓縮比、低天然氣替代率向著高壓縮比、高天然氣替代率的方向發(fā)展。雙燃料發(fā)動機目前比較先進的是微引燃技術。本文即利用STAR-CD軟件對CA6DL2-35E5RB天然氣/柴進行了宏觀參數(shù)和微觀場的變化規(guī)律分析,目的是通過改變?nèi)紵业男螤顏韺崿F(xiàn)柴油微引燃技術,提高天然氣的替代率并減少由于替代率上升所引起的發(fā)動機爆震的發(fā)生。本研究結果表明： 1.柴油首先在燃燒室壁面處著火,之后火焰在燃燒室壁面多處出現(xiàn),即同一時間在不同地方同時著火,之后高溫區(qū)域開始由燃燒室四周擴散到燃燒室中心處。而天然氣的燃燒是以柴油燃燒形成了火核為基礎,天然氣在多處同時著火,但著火位置并不是對稱的,這是由氣流流動的不均勻性造成的,且隨著天然氣替代率的增加,缸內(nèi)最高壓力下降,發(fā)動機輸出功率下降,NO排放也呈下降趨勢。 2.在壓縮比,側隙,頂隙都完全相同的情況下,只改變?nèi)紵业男螤?其中1#為原機即縮口ω形燃燒室,2#為圓柱形燃燒室,3-1#燃燒室為花瓣型燃燒室。通過比較得知,原機的天然氣排放水平較低,而Soot排放較高,這就說明了天然氣的燃燒質(zhì)量較高但柴油的燃燒質(zhì)量較差,從而決定了原機無法實現(xiàn)高替代率下較高的燃燒質(zhì)量,因為替代率較高時,柴油量下降,但由于柴油的燃燒質(zhì)量較差,也將直接影響到天然氣的燃燒過程,無法從根本上避免柴油單燃料發(fā)動機Soot排放高的問題。而花瓣型燃燒室有著較好的柴油燃燒質(zhì)量,這就為柴油微引燃奠定了基礎,而且也解決了柴油單燃料發(fā)動機Soot排放較高的問題,突出了雙燃料發(fā)動機的優(yōu)勢,而天然氣的燃燒速率等可以通過合理組織缸內(nèi)流動加以提高。 3.花瓣型燃燒室噴射位置不同可使發(fā)動機的動力性,經(jīng)濟性,排放性能有所差異。本文選了四個噴射角度,分別為0°,-7.5°,-15°,-22.5°,對其宏觀參數(shù)和微觀場進行了分析,通過優(yōu)化選擇得到噴射角度為-22.5。為最佳噴射位置。 【關鍵詞】：柴油/天然氣發(fā)動機 燃燒室 噴射角度 CFD模擬
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TK431
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 緒論12-20
• 1.1 國內(nèi)外汽車排放法規(guī)的發(fā)展12-13
• 1.2 能源問題13-14
• 1.3 天然氣發(fā)動機的發(fā)展14-16
• 1.4 柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機的發(fā)展16-17
• 1.5 數(shù)值模擬(CFD)及其在內(nèi)燃機研究上的應用17-18
• 1.6 本研究主要內(nèi)容18-20
• 第二章 柴油/天然氣雙燃料天然氣發(fā)動機燃燒過程仿真20-28
• 2.1 基本控制方程20-21
• 2.1.1 能量守恒方程20
• 2.1.2 質(zhì)量守恒方程20-21
• 2.1.3 動量守恒方程21
• 2.2 湍流模型21-22
• 2.3 噴霧、液滴破碎及撞壁模型22-23
• 2.3.1 噴霧模型22-23
• 2.3.2 液滴破碎模型23
• 2.3.3 撞壁模型23
• 2.4 著火、燃燒及排放物模型23-26
• 2.4.1 著火模型23-24
• 2.4.2 燃燒模型24-26
• 2.4.3 排放物模型26
• 2.4.3.1 NOx模型26
• 2.4.3.2 SOOT模型26
• 2.5 計算方法26-27
• 2.6 本章小結27-28
• 第三章 柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機模擬平臺的建立及有效性驗證28-40
• 3.1 幾何模型的建立28-29
• 3.2 計算網(wǎng)格的生成29-32
• 3.2.1 STL文件導入29
• 3.2.2 進、排氣道及燃燒室網(wǎng)格生成29-30
• 3.2.3 ES-ICE動網(wǎng)格生成30-31
• 3.2.4 合并網(wǎng)格31-32
• 3.3 計算初始邊界條件的設定32
• 3.4 模型的有效性驗證32-39
• 3.4.1 模擬范圍的確定32
• 3.4.2 初始、邊界條件的獲得32-33
• 3.4.3 基準點準確性驗證33-34
• 3.4.4 著火及燃燒過程驗證34-35
• 3.4.5 天然氣替代率影響規(guī)律模擬結果趨勢驗證35-37
• 3.4.6 噴油時刻影響規(guī)律模擬結果趨勢驗證37
• 3.4.7 噴油脈寬影響規(guī)律模擬結果趨勢驗證37-38
• 3.4.8 壓縮比影響規(guī)律模擬結果趨勢驗證38
• 3.4.9 驗證結果38-39
• 3.5 本章小結39-40
• 第四章 柴油/天然氣雙燃料發(fā)動機燃燒模擬分析40-50
• 4.1 相關參數(shù)的定義40-41
• 4.2 燃燒過程分析41-48
• 4.3 本章小結48-50
• 第五章 燃燒室形狀對柴油/天然氣發(fā)動機燃燒影響的數(shù)值模擬50-82
• 5.1 燃燒室形狀對缸內(nèi)混合氣形成及燃燒的影響50-67
• 5.1.1 模擬計算結果分析51-55
• 5.1.2 缸內(nèi)參數(shù)場分析55-67
• 5.1.2.1 缸內(nèi)柴油濃度場變化規(guī)律55-57
• 5.1.2.2 缸內(nèi)天然氣濃度場變化規(guī)律57-59
• 5.1.2.3 缸內(nèi)混合氣的速度場變化規(guī)律59-61
• 5.1.2.4 缸內(nèi)混合氣湍流動能變化規(guī)律61-63
• 5.1.2.5 缸內(nèi)混合氣溫度場變化規(guī)律63-64
• 5.1.2.6 缸內(nèi)NO濃度場變化規(guī)律64-66
• 5.1.2.7 缸內(nèi)Soot濃度場變化規(guī)律66-67
• 5.2 花瓣形燃燒室形狀優(yōu)化研究67-80
• 5.2.1 模擬計算結果分析67-71
• 5.2.2 缸內(nèi)參數(shù)場分析71-80
• 5.2.2.1 缸內(nèi)柴油濃度場分析71-72
• 5.2.2.2 缸內(nèi)天然氣濃度場分布72-74
• 5.2.2.3 缸內(nèi)混合氣的速度場變化規(guī)律74-75
• 5.2.2.4 缸內(nèi)混合氣的湍流動能的變化規(guī)律75-77
• 5.2.2.5 缸內(nèi)溫度場的變化規(guī)律77-78
• 5.2.2.6 缸內(nèi)混合氣的NO濃度場的變化規(guī)律78-79
• 5.2.2.7 缸內(nèi)混合氣的soot濃度場的變化規(guī)律79-80
• 5.3 本章小結80-82
• 第六章 全文總結82-84
• 6.1 全文總結82-83
• 6.2 今后工作展望83-84
• 參考文獻84-88
• 作者簡介及科研成果88-90
• 致謝90

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