米勒循環(huán)天然氣發(fā)動機(jī)工作過程仿真與優(yōu)化研究

【摘要】：隨著世界汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，汽車排放和環(huán)境問題得到廣泛關(guān)注，開發(fā)新能源汽車已是迫在眉睫的大事。雖然天然氣燃燒清潔，但是天然氣發(fā)動機(jī)存在燃燒爆震、熱效率低等問題，迫切需要研究更加高效的天然氣發(fā)動機(jī)。針對目前國內(nèi)重型稀燃天然氣發(fā)動機(jī)的研究現(xiàn)狀，本文提出了Miller循環(huán)方式的天然氣發(fā)動機(jī)技術(shù)，不僅可以在抑制爆震的前提下提高發(fā)動機(jī)的壓縮比，提高了發(fā)動機(jī)的熱效率，而且大大地降低了NOx排放，可以滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)。本文采用模擬仿真技術(shù)對Miller循環(huán)天然氣發(fā)動機(jī)的工作過程進(jìn)行了研究。 利用一維仿真研究了幾何壓縮比、進(jìn)氣門晚關(guān)角及膨脹比對發(fā)動機(jī)性能的影響規(guī)律，通過仿真發(fā)現(xiàn)：隨著幾何壓縮比的增大，發(fā)動機(jī)扭矩增加，燃?xì)庀穆式档停l(fā)動機(jī)爆震傾向增加，并且?guī)缀螇嚎s比越大，進(jìn)氣晚關(guān)角越小時(shí)，發(fā)動機(jī)的扭矩越大；隨著進(jìn)氣門晚關(guān)角的增大，發(fā)動機(jī)扭矩下降，燃?xì)庀穆试黾?，但缸?nèi)最高溫度和壓力隨著進(jìn)氣門晚關(guān)角的增大而降低，能有效抑制爆震的發(fā)生；隨著膨脹比的增大，發(fā)動機(jī)熱效率升高，燃?xì)庀穆式档停诒ＷC有效壓縮比與原機(jī)相同時(shí)，發(fā)動機(jī)膨脹比越大，進(jìn)氣晚關(guān)角度就越大，使得進(jìn)氣回流量越多，充氣效率降低，發(fā)動機(jī)扭矩下降。通過改善增壓系統(tǒng)提高進(jìn)氣壓力，彌補(bǔ)進(jìn)氣量的減少，保證了較高的發(fā)動機(jī)動力性及經(jīng)濟(jì)性。在增大膨脹比的同時(shí)采用進(jìn)氣門晚關(guān)的方式實(shí)現(xiàn)Miller循環(huán)，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)幾何壓縮比為13.5，進(jìn)氣晚關(guān)角為19°CA時(shí)，發(fā)動機(jī)熱效率比原機(jī)提高了2.6%。 為了從微觀上深入研究各參數(shù)對天然氣發(fā)動機(jī)工作過程影響的機(jī)理，本文利用AVL FIRE建立了燃燒仿真平臺，研究了進(jìn)氣晚關(guān)角、點(diǎn)火時(shí)刻對發(fā)動機(jī)缸內(nèi)的速度場、湍動能、濃度場、溫度場及NOx生成量的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)： 在進(jìn)氣階段缸內(nèi)有明顯滾流區(qū)，缸內(nèi)渦流速度遠(yuǎn)大于滾流速度，并且缸內(nèi)流體流速和湍動能都很高。壓縮過程中，缸內(nèi)渦流和滾流強(qiáng)度逐漸減小，缸內(nèi)渦流呈剛性渦分布；在點(diǎn)火時(shí)刻時(shí)，火花塞附近的渦流和滾流強(qiáng)度較低，有利于形成穩(wěn)定的火焰核心。缸內(nèi)呈現(xiàn)由下向上混合氣濃度由濃變稀的逆分層分布，即火花塞附近的混合氣濃度較小，而燃燒室底部混合氣較濃。燃燒過程中，火焰在缸內(nèi)氣流的作用下向火花塞對側(cè)的進(jìn)氣門處傳播的更快，火花塞始終處于高溫區(qū)，火焰前鋒面處產(chǎn)生的NOx比較多。 隨著進(jìn)氣晚關(guān)角的增大，缸內(nèi)最高燃燒壓力降低，發(fā)動機(jī)做功能力降低，缸內(nèi)放熱率降低，溫度降低，降低了爆震傾向的發(fā)生，大大抑制了NOx的生成，NOx生成量減少達(dá)50%以上。進(jìn)氣晚關(guān)角對進(jìn)氣初期缸內(nèi)流場分布影響不大，但在進(jìn)氣后期和壓縮沖程，隨著進(jìn)氣晚關(guān)角的增大，缸內(nèi)渦流速度增加，并且在點(diǎn)火時(shí)刻時(shí)，缸內(nèi)渦流比和滾流比隨著晚關(guān)角的增大而增大，有利于火焰的傳播；隨著進(jìn)氣晚關(guān)角的增大，氣缸壁和燃燒室底部有較多的未燃混合氣，不利于HC的排放。 本文研究了點(diǎn)火時(shí)刻對缸內(nèi)混合氣燃燒過程的影響，隨著點(diǎn)火時(shí)刻的推遲，燃燒始點(diǎn)推遲，燃燒持續(xù)期變長，缸內(nèi)最高燃燒壓力降低，缸內(nèi)放熱率降低。隨著點(diǎn)火時(shí)刻的提前，缸內(nèi)最高燃燒壓力變大且出現(xiàn)最大峰值的曲軸轉(zhuǎn)角前移，缸內(nèi)溫度升高，增加了壓縮負(fù)功和熱損失，爆震傾向增加，可能引起發(fā)動機(jī)爆震，但合理的控制點(diǎn)火時(shí)刻可以彌補(bǔ)進(jìn)氣門晚關(guān)帶來的功率上的下降。 隨著點(diǎn)火時(shí)刻的推遲，NOx的排放量大大降低，降低幅度達(dá)85%，雖然推遲點(diǎn)火時(shí)刻能夠降低缸內(nèi)燃燒溫度，但是燃燒持續(xù)期的增加，后燃比較嚴(yán)重，發(fā)動機(jī)排溫較高。隨著點(diǎn)火時(shí)刻的推遲，缸內(nèi)混合氣燃燒不充分，氣缸壁和燃燒室底有較多的未燃混合氣，HC排放增加。因此，要把點(diǎn)火時(shí)刻控制在合理的范圍內(nèi)，既要保證發(fā)動機(jī)動力性和熱效率，又要使得發(fā)動機(jī)的排放較低。應(yīng)用Miller循環(huán)技術(shù)需要聯(lián)合標(biāo)定發(fā)動機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，盡可能發(fā)揮Miller循環(huán)的潛力。 【關(guān)鍵詞】：天然氣發(fā)動機(jī) Miller循環(huán) 進(jìn)氣門晚關(guān)角 膨脹比 點(diǎn)火時(shí)刻
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TK431
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 緒論11-21
• 1.1 引言11-12
• 1.2 天然氣發(fā)動機(jī)的發(fā)展歷程12-18
• 1.2.1 燃燒技術(shù)的發(fā)展13-16
• 1.2.2 Miller 循環(huán)16-18
• 1.3 Miller 循環(huán)天然氣發(fā)動機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀18-19
• 1.3.1 國外現(xiàn)狀18-19
• 1.3.2 國內(nèi)現(xiàn)狀19
• 1.4 課題主要研究工作與意義19-21
• 第2章 Miller 循環(huán)天然氣發(fā)動機(jī)一維仿真研究21-35
• 2.1 GT-Power 模型建立與驗(yàn)證21-24
• 2.2 Miller 循環(huán)計(jì)算研究24-33
• 2.2.1 發(fā)動機(jī)壓縮比與進(jìn)氣門晚關(guān)角的研究25-29
• 2.2.2 發(fā)動機(jī)膨脹比的優(yōu)化研究29-32
• 2.2.3 進(jìn)氣壓力對 Miller 循環(huán)的影響32-33
• 2.3 本章小結(jié)33-35
• 第3章 天然氣發(fā)動機(jī)模擬平臺建立及燃燒模擬分析35-53
• 3.1 幾何模型的建立35-36
• 3.2 計(jì)算網(wǎng)格的建立36-37
• 3.3 模型及算法選擇37-39
• 3.3.1 湍流模型37-38
• 3.3.2 燃燒模型38
• 3.3.3 排放模型38
• 3.3.4 計(jì)算方法38-39
• 3.4 計(jì)算初始邊界條件39
• 3.5 計(jì)算結(jié)果分析39-51
• 3.5.1 模型的有效性驗(yàn)證39-41
• 3.5.2 缸內(nèi)參數(shù)分析41-51
• 3.5.2.1 缸內(nèi)速度場演變過程41-44
• 3.5.2.2 缸內(nèi)湍流動能演變過程44-47
• 3.5.2.3 缸內(nèi)混合氣濃度場演變過程47-49
• 3.5.2.4 缸內(nèi)溫度場的演變過程49-50
• 3.5.2.5 缸內(nèi) NOx 排放分布規(guī)律50-51
• 3.6 本章小結(jié)51-53
• 第4章 進(jìn)氣晚關(guān)角及點(diǎn)火時(shí)刻對缸內(nèi)流動燃燒過程影響的數(shù)值模擬53-77
• 4.1 進(jìn)氣晚關(guān)角對缸內(nèi)混合氣形成及燃燒的影響53-66
• 4.1.1 模擬計(jì)算結(jié)果分析53-55
• 4.1.2 缸內(nèi)參數(shù)分析55-66
• 4.1.2.1 缸內(nèi)混合氣速度場變化規(guī)律55-57
• 4.1.2.2 缸內(nèi)混合氣湍動能變化規(guī)律57-60
• 4.1.2.3 缸內(nèi)混合氣濃度場變化規(guī)律60-62
• 4.1.2.4 缸內(nèi)混合氣溫度場的變化規(guī)律62-63
• 4.1.2.5 缸內(nèi)爆震傾向的變化規(guī)律63-65
• 4.1.2.6 缸內(nèi) NOx 生成量的變化規(guī)律65-66
• 4.2 點(diǎn)火時(shí)刻對缸內(nèi)混合氣形成及燃燒的影響66-74
• 4.2.1 模擬計(jì)算結(jié)果分析66-68
• 4.2.2 缸內(nèi)參數(shù)分析68-74
• 4.2.2.1 不同點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)混合氣濃度場的變化規(guī)律68-69
• 4.2.2.2 不同點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)混合氣溫度場的變化規(guī)律69-71
• 4.2.2.3 不同點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)爆震傾向的變化規(guī)律71-72
• 4.2.2.4 不同點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi) NOx 量的變化規(guī)律72-74
• 4.3 本章小結(jié)74-77
• 第5章 全文總結(jié)及工作展望77-81
• 5.1 全文總結(jié)77-79
• 5.2 工作展望79-81
• 參考文獻(xiàn)81-85
• 作者簡介及科研成果85-86
• 致謝86

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