微引燃柴油噴射對(duì)缸內(nèi)直噴天然氣燃燒過程的影響研究

【摘要】：柴油機(jī)因其熱效率高，扭矩大，耐久性好而受到中型和重型作業(yè)的青睞。柴油機(jī)的主要排放物有NOX，THC，CO和PM，占空氣污染物中至少33%的NOX，70%以上直徑大于2.5μm的PM，因此，各國政府都已意識(shí)到柴油機(jī)排放的危害，紛紛立法進(jìn)行環(huán)境保護(hù)。同時(shí)，石油危機(jī)也促使開發(fā)代用燃料成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。天然氣儲(chǔ)量豐富，價(jià)格便宜，是公認(rèn)的高效清潔燃料。但是傳統(tǒng)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)因充氣效率低，受爆震限制達(dá)不到預(yù)期的動(dòng)力要求，其優(yōu)勢(shì)沒有得到充分的發(fā)揮。如果在柴油機(jī)上保持高壓縮比，利用少量柴油自燃來點(diǎn)燃高壓直噴入發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的天然氣，不僅可以改善柴油機(jī)的排放，還能保留柴油機(jī)的高效性，成為國際發(fā)展的一個(gè)重要方向。 本文從引燃柴油的不同噴射時(shí)刻，引燃柴油與天然氣不同噴射夾角，引燃柴油占總能量不同比率三方面研究了引燃柴油對(duì)缸內(nèi)直噴天然氣燃燒的影響。首先應(yīng)用三維CAD軟件Pro/E建立燃燒室的幾何模型。由于燃燒室的對(duì)稱性及噴孔數(shù)目，建立了六分之一燃燒室的模型。應(yīng)用先進(jìn)的CAE前處理軟件ICEM-CFD獨(dú)特的O-Grid砍塊功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使燃燒室模型全部為結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，大大提高了計(jì)算精度并且縮短了計(jì)算時(shí)間，將網(wǎng)格模型導(dǎo)入STAR-CD中生成動(dòng)網(wǎng)格，并編寫動(dòng)網(wǎng)格的控制程序。建立國外試驗(yàn)機(jī)的燃燒室模型，在STAR-CD中設(shè)定邊界條件進(jìn)行計(jì)算，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能較好的吻合，為本次模擬提供了很好的驗(yàn)證。通過結(jié)果分析得到以下結(jié)論： 1.本文中柴油的噴射時(shí)刻分別為14BTDC、10BTDC和5BTDC。對(duì)三組仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出，推遲引燃柴油的噴射時(shí)刻，氣缸內(nèi)平均壓力和平均溫度的峰值均有所降低，缸內(nèi)平均壓力的峰值降低率分別為13.99%和28.99%，溫度峰值的降低率為7.4%和11.7%，但是隨著引燃柴油噴射時(shí)刻的推遲，發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能越來越好。 2.本文研究了柴油和天然氣的噴射夾角分別為0度、15度和30度的模型。計(jì)算結(jié)果顯示，引燃柴油和天然氣之間的噴射夾角為0度和15度時(shí)，天然氣噴束能全部在柴油燃燒形成的高溫區(qū)內(nèi)，當(dāng)夾角為30度時(shí)，引燃柴油燃燒產(chǎn)生的高溫區(qū)從天然氣的兩側(cè)開始點(diǎn)燃天然氣。所研究的三組中夾角為15度時(shí)天然氣燃燒的最好。 3.通過改變柴油的噴射量，本文分別研究了引燃柴油占總能量百分比為：I=0.7%、I=1%、I=1.7%、I=3.3%和I=5%的五組不同燃油量對(duì)天然氣燃燒的影響。通過分析得出，I=0.7%時(shí)柴油不能點(diǎn)燃天然氣，柴油微引燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)中引燃柴油的量有最小要求。引燃柴油量增多，氣缸內(nèi)的平均壓力和平均溫度峰值上升，有利于天然氣的燃燒。對(duì)I=1%、I=1.7%、I=3.3%和I=5%的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，本文中平均壓力峰值的上升幅度分別為4.7%、7.6%和10.2%；平均溫度峰值上升幅度為2.4%、4.9%和6.7%。NO的排放量與引燃柴油的比率成正比，但總體影響不大，本文中NO的排放均達(dá)到了EUⅣ的排放標(biāo)準(zhǔn)。 【關(guān)鍵詞】：微引燃 柴油噴射 天然氣 仿真
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TK421.2
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 緒論12-21
• 1.1 柴油機(jī)發(fā)展面臨的問題12-14
• 1.1.1 柴油機(jī)的排放物12-13
• 1.1.2 國內(nèi)外柴油機(jī)排放法規(guī)13-14
• 1.2 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展14-15
• 1.3 柴油微引燃缸內(nèi)高壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)15-18
• 1.4 CFD 技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)研究中的應(yīng)用18-19
• 1.5 本文研究的主要內(nèi)容19-21
• 第2章 柴油微引燃缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程仿真原理21-29
• 2.1 基本控制方程21-22
• 2.1.1 質(zhì)量守恒方程21-22
• 2.1.2 動(dòng)量守恒方程22
• 2.1.3 能量守恒方程22
• 2.2 湍流模型22-23
• 2.3 噴霧、液滴破碎及撞壁模型23-24
• 2.3.1 噴霧模型23-24
• 2.3.2 液滴破碎24
• 2.3.3 撞壁模型24
• 2.4 著火、燃燒及排放物模型24-28
• 2.4.1 著火模型24-25
• 2.4.2 燃燒模型25-27
• 2.4.3 排放物模型27-28
• 2.4.3.1 NOX模型27-28
• 2.4.3.2 SOOT 模型28
• 2.5 本章小結(jié)28-29
• 第3章 柴油微引燃缸內(nèi)直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程仿真建模及有效性驗(yàn)證29-36
• 3.1 幾何模型的建立29-30
• 3.2 計(jì)算網(wǎng)格的生成30-32
• 3.3 計(jì)算初始邊界條件的設(shè)定32-33
• 3.4 模型的有效性驗(yàn)證33-34
• 3.5 本章小結(jié)34-36
• 第4章 微引燃柴油不同參數(shù)對(duì)缸內(nèi)燃燒影響的仿真研究36-71
• 4.1 不同柴油噴射時(shí)刻對(duì)天然氣燃燒的影響36-48
• 4.1.1 不同柴油噴射時(shí)刻對(duì)燃燒特性的影響37-39
• 4.1.2 不同柴油噴射時(shí)刻對(duì)燃燒過程的影響39-48
• 4.1.2.1 不同柴油噴射時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)壓力的影響40
• 4.1.2.2 不同柴油噴射時(shí)刻對(duì)速度場(chǎng)的影響40-43
• 4.1.2.3 不同柴油噴射時(shí)刻對(duì)溫度場(chǎng)的影響43-46
• 4.1.2.4 不同柴油噴射時(shí)刻對(duì)排放的影響46-48
• 4.2 柴油與天然氣不同噴射夾角對(duì)天然氣燃燒的影響48-57
• 4.2.1 不同噴射夾角對(duì)燃燒特性的影響49-50
• 4.2.2 不同噴射夾角對(duì)缸內(nèi)燃燒過程的影響50-57
• 4.2.2.1 不同噴射夾角對(duì)缸內(nèi)壓力的影響50-51
• 4.2.2.2 不同噴射夾角對(duì)缸內(nèi)濃度的影響51-53
• 4.2.2.3 不同噴射夾角對(duì)缸內(nèi)溫度場(chǎng)的影響53-56
• 4.2.2.4 不同噴射夾角對(duì)排放物的影響56-57
• 4.3 不同引燃柴油量對(duì)天然氣燃燒的影響57-69
• 4.3.1 引燃柴油量對(duì)燃燒特性的影響57-60
• 4.3.2 引燃柴油量對(duì)燃燒過程的影響60-69
• 4.3.2.1 不同引燃柴油量對(duì)缸內(nèi)壓力的影響60-61
• 4.3.2.2 不同引燃柴油量對(duì)溫度場(chǎng)的影響61-65
• 4.3.2.3 不同引燃柴油量對(duì)排放物的影響65-69
• 4.4 本章小結(jié)69-71
• 第5章 全文總結(jié)及工作展望71-74
• 5.1 全文總結(jié)71-73
• 5.2 工作展望73-74
• 參考文獻(xiàn)74-79
• 致謝79

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