气体燃料发动机燃气供给系统仿真研究

发布时间：2020-10-10 20:59

　　 天然气具有可压缩、密度受压力和温度变化影响大的特点,这就对气体燃料发动机多点喷射燃气供应系统提出了挑战,要求燃气供应系统能够定时定量的向发动机各气缸供给燃气。天然气发动机多点喷射燃气供应系统直接影响发动机的经济性、动力性和排放性。对天然气发动机多点喷射燃气供应系统进行研究,一方面可以优化燃气喷射阀喷射过程中的阀前压力衰减,提高燃气喷射阀的燃气喷射量,减轻阀喷射过程中的不一致性,从而减轻发动机各个气缸工作的不一致性。本文提出了一维三维耦合的仿真建模方法,针对发动机不同工况下的阀前总压变化、燃气喷射量以及气轨内的压力波动特性进行研究,并提出改进优化方案。本文首先采用一维建模方法获得了初步的燃气喷射阀模型,进行了燃气喷射阀规律趋势预测,由于一维建模仿真难以提供准确的动态边界条件,存在一定的局限性。而后根据其局限性,进行了一维三维联合仿真建模,进行了多个喷射压力、多个喷射脉宽下的联合仿真计算,计算结果与实验吻合良好。其中,燃气喷射量计算结果与实验的最大误差控制在6%以内。这样,就获得了准确的燃气喷射阀模型。在得到上述准确的燃气喷射阀模型之后,基于实际实验平台,建立等效的气体燃料发动机多点喷射燃气管路系统一维三维联合仿真模型。其中,管路模型和阀模型等是Flowmaster一维模型,发动机的气轨模型是Fluent三维模型,两个模型借助德国Fraunhofer科学计算和计算方法研究所开发的接口软件——MPCCI实现实时双向的数据传递和耦合。这样,同时兼顾系统整体的动态特性和部件内的详细流动机理,实现了“宏观”和“微观”角度的融合。并且模型计算结果与实验吻合良好。而后,基于上述的发动机燃气管路系统模型动态特性结算结果,同时结合气轨内的流场分析,总结出导致燃气喷射量偏离正常值以及阀前压力衰减过大的原因是气轨内的压力波动过大以及气轨支路和本体之间存在较强的流动分离,并且针对以上两点提出了优化改进方法,即增大气轨本体直径以及在气轨本体和气轨支路设置过渡圆角,并且研究了不同本体直径和不同过渡圆角直径下,燃气喷射阀阀前压力变化规律,确定气轨和气轨上游管路的最佳参数值,完成了发动机燃气管路系统的优化。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK431
【部分图文】：

第 1 章 绪论限制这种技术的大规模推广应用。而且还需要考虑在进气过程中的迸气均匀性，这样就对单个燃气喷射电磁阀流量提出了较高的要求，需要燃气喷射电磁阀响应迅速、流量稳定、一致性好。需要详细可靠的燃气喷射电磁阀设计方案，确保燃气喷射阀工作的一致性和稳定性。而对于非增压发动机而言，多点进气道喷射还是会较明显的减小缸内进气充量系数，无法满足发动机功率需求。

哈尔滨工程大学硕士学位论文4图 1.2 高压缸内喷射（HPDI）示意图1.2 多点喷射燃气供应系统特性分析对于天然气发动机多点燃气喷射系统而言，整个燃气供应系统主要由气瓶组、减压阀、加热装置、供气管道、电磁阀、发动机气轨以及燃气喷射电磁阀等组成。高压燃气经过带加热装置的减压器之后，减压到大约 7~8barA（A 代表绝对压力），然后经过长的供气管路以及其他流体元件到达发动机气轨，发动机气轨支路直接与燃气喷射电磁阀相通，为电磁阀提供燃气。其中，发动机气轨起稳压作用，目的是为燃气喷射阀提供稳定的阀前压力。当发动机运转时，发动机 ECU 发出控制信号，电磁铁通电，而后燃气喷射阀内的铁芯被电磁铁吸引，燃气喷射阀开启，燃气喷入发动机气缸。在燃气喷射阀的开启和关闭过程中，由完全开启到完全关闭状态或者是由完全关闭到完全开启状态，总是耗费一定时间，也就是电磁阀这两种状态转换的时间，称为电磁阀的动作时间。电磁阀的动作时间与电磁阀结构、流体介质压力以及流体种类等因素均有关系。如果按照出口质量流量的变化，根据质量流量曲线，可以将燃气喷射阀的喷射过程分为流量增长期、喷射稳定期、喷射末期三段[8]。燃气喷射阀的流量特性不仅仅与阀的设计有关，还与其上游配套的管路系统各部件性能参数有很大关系，下面列举几个重要的供气系统部件特性：（1）输气管道流量特性对于多点喷射燃气供应系统而言，输气管道是最基础的元件，也是决定整个供气系统特性的重要部件之一。通过输气管道将气源、阀、气轨、减压器等部件连接起来，输气管道的结构参数对供气系统的动态特性有时候具有决定性

气管道与外界换热还是管道绝热对输气系统性能的影响，才能进一步优化输气系统的性能[9]。（2）发动机气轨压力分布多点喷射系统中的发动机气轨是一个核心部件，发动机气轨上承燃气管路系统上游的气源、大部分管道、阀件、减压器等，下端连通发动机各气缸进气歧管的燃气喷射阀。发动机气轨内部储存一定量的高压燃气，以供给发动机正常运转时的需要。气轨的稳压特性对发动机工作性能有重要影响。在发动机各气缸的工作过程中，各气缸对应的燃气喷射阀依次喷气，这样无可避免的就会对气轨内的压力分布产生强烈干扰，气轨的容积是否合理对于能否维持一个稳定的阀前喷射压力有很大影响。气轨容积过小就会使得燃气喷射阀阀前压力不稳，各个燃气喷射阀的喷气量不一致性增强；气轨容积过大会使得发动机气轨的充气时间过长，轨压建立时间严重滞后，严重影响发动机的启动性能[10]。所以，应在满足发动机气轨稳压性能满足要求的同时，尽可能减小发动机气轨的容积，缩短轨压建立时间。
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本文编号：2835579