船用混合燃料发动机燃烧过程数值模拟

发布时间：2017-04-11 15:20

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【摘要】：天然气和氢气是清洁燃料,且天然气价格便宜、储量丰富,如果把天然气和氢气作为船用柴油机的燃料,一方面可以解决能源短缺问题,另一方面污染物的排放也会降低。本文基于AVL FIRE软件,以C4190Zlc-2型船用柴油机为模型基础,通过进气加氢(氢气占空气体积的80%)和缸内直喷天然气,从天然气的喷射质量比、喷射时刻和喷射夹角三方面研究了混合燃料对发动机燃烧过程的影响。主要研究工作如下:(1)发动机燃烧室模型建立及网格划分。在原C4190Zlc-2型船用柴油机模型基础上,加设8个天然气喷孔,并由Pro/E软件建立燃烧室模型。应用AVL FIRE软件划分燃烧室网格,分别选用k-?双方程模型、KHRT模型、多组分蒸发模型、O-Rourke模型、Walljet1模型、修正Shell模型、EBU涡团破碎模型、Extended Zeldovich模型和Kinetic模型分别作为缸内流动湍流模型、液滴破碎模型、液滴蒸发模型、液滴相互碰撞模型、液滴碰壁模型、着火模型、燃烧模型、NO生成模型和SOOT生成模型。通过模拟柴油发动机的计算结果与实验结果的分析对比,验证了模型的正确性。(2)混合燃料对发动机燃烧性能与排放性能的影响。纯柴油时缸内最高压力最大,柴油中加入天然气后,缸内最高压力降低,当在双燃料中加入氢气后,缸内压力比双燃料时有所降低。纯柴油时缸内温度最高,柴油天然气双燃料时温度降低,加入氢气时温度比双燃料高但是低于纯柴油时燃烧。纯柴油燃烧时NO排放明显比双燃料和双燃料加氢时多,双燃料混合燃烧时SOOT生成量有所降低。(3)天然气添加比例对发动机性能与排放的影响。柴油喷油持续期701.4CA-710.2CA,喷射夹角160°;天然气的喷气持续期710.2CA-730.8CA,喷射夹角45°。天然气混合质量比由70%~90%时,缸内最高温度变化由2142K~2034K;缸内最高压力变化由10.18MPa~9.98MPa。随着天然气喷射量的增加,缸内温度的峰值有所降低,缸内最高压力降低,NO的生成量降低,SOOT生成量增加,发动机的动力性能有所下降,排放性能有所提高。(4)天然气喷射时刻对发动机性能与排放的影响。柴油、天然气的喷射夹角分别为160°、45°,天然气喷射时刻由710.2CA~720.2CA时,缸内最高温度变化由2018K~1688K;缸内最高压力由10.6MPa~9.8MPa。天然气喷射时刻越靠后,缸内最高温度越低,缸内压力峰值降低,缸内NO的生成量越少,SOOT生成量会增加,随着天然气喷射时刻的推迟,发动机动力性能降低,排放性能改善。(5)天然气喷射夹角对发动机性能与排放的影响。天然气的喷射质量比为90%,天然气的喷射时刻为710.2CA曲轴转角。当天然气喷射夹角分别为45°、75°、30°时,缸内最高温度分别为2122K、1915K、1673K;缸内最高压力分别为10.6MPa、10.2MPa、9.9MPa。天然气喷射夹角为45°时,NO的生成量最多,SOOT生成量最少;天然气喷射夹角为30°时,SOOT生成量最多;天然气喷射夹角为45°时,动力性能及排放性能最好。
【关键词】：柴油 天然气 氢气 缸内燃烧 FIRE模拟
【学位授予单位】：集美大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U664.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 主要符号表11-12
• 第1章 绪论12-18
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.1.1 研究背景12-13
• 1.1.2 研究意义13
• 1.2 研究现状分析13-16
• 1.2.1 柴油-天然气双燃料发动机13-14
• 1.2.2 柴油-氢气双燃料发动机14-15
• 1.2.3 天然气-氢气双燃料发动机15-16
• 1.2.4 柴油-天然气-氢气三燃料发动机16
• 1.3 本文的主要工作16-18
• 第2章 不同燃料混合燃烧对发动机燃烧性能影响18-34
• 2.1 引言18
• 2.2 发动机主要参数18-19
• 2.3 燃烧室几何模型建立及网格生成19-20
• 2.3.1 燃烧室几何模型19
• 2.3.2 网格划分19-20
• 2.4 控制方程与数学模型20-28
• 2.4.1 基本控制方程20-22
• 2.4.2 缸内湍流模型22-23
• 2.4.3 缸内喷射及雾化模型23-26
• 2.4.4 缸内燃烧模型26-27
• 2.4.5 排放物生成模型27-28
• 2.5 初始条件和边界条件的设置28-30
• 2.5.1 初始条件28-29
• 2.5.2 边界条件29
• 2.5.3 模型验证29-30
• 2.6 不同燃料混合燃烧性能对比30-33
• 2.6.1 缸内平均压力、温度的影响30-32
• 2.6.2 排放物的影响32-33
• 2.7 小结33-34
• 第3章 混合燃料混合比例对发动机工作性能的影响34-40
• 3.1 引言34
• 3.2 模拟方案34-35
• 3.3 缸内平均压力变化35-36
• 3.4 缸内平均温度变化36-37
• 3.5 NO排放影响37-38
• 3.6 SOOT排放影响38-39
• 3.7 小结39-40
• 第4章 天然气喷射时刻对发动机性能参数的影响40-46
• 4.1 引言40
• 4.2 模拟方案40
• 4.3 缸内平均压力变化40-42
• 4.4 缸内平均温度变化42-43
• 4.5 NO排放影响43-44
• 4.6 SOOT排放影响44-45
• 4.7 小结45-46
• 第5章 天然气喷射夹角对发动机性能的影响46-52
• 5.1 引言46
• 5.2 模拟方案46-47
• 5.3 缸内平均压力变化47-48
• 5.4 缸内平均温度变化48-50
• 5.5 NO、SOOT生成影响50-51
• 5.6 小结51-52
• 第6章 总结和展望52-54
• 6.1 总结52-53
• 6.2 展望53-54
• 致谢54-55
• 参考文献55-58
• 在学校期间发表的学术论文58

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 李勇;马凡华;刘海全;殷勇;;HCNG发动机掺氢比选择试验研究[J];车用发动机;2007年02期

2 林志强,苏万华,王国祥;柴油引燃天然气发动机着火特性及其影响因素的研究[J];燃烧科学与技术;2003年03期

3 张欣,刘伟,胡准庆,王浩,梁龙;天然气/柴油双燃料发动机燃烧过程二维数学模型的研究[J];铁道学报;2001年01期

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1 孙建文;柴油/天然气双燃料发动机的开发与试验研究[D];山东大学;2012年

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