大缸径天然气发动机燃烧室优化设计与仿真研究

发布时间：2017-09-27 20:09

  本文关键词：大缸径天然气发动机燃烧室优化设计与仿真研究

  更多相关文章： 天然气发动机 数值模拟 压缩比 燃烧室形状

【摘要】：在能源紧缺和环境污染严重的双重压力下,为内燃机寻求可替代燃料,已经成为内燃机研究中的一个紧迫又重要的课题。天然气凭借储量丰富、燃烧产物清洁等特性使其在内燃机上的应用越来越多,本文针对某发动机改燃天然气后存在着动力性不足,经济性差的问题,利用试验和仿真计算,研究燃烧室结构对大缸径天然气发动机性能的影响,旨在改善发动机的动力性和经济性。(1)为研究压缩比的改变对大缸径天然气发动机性能以及缸内燃烧过程的影响,结合机械强度以及改造简便等要求,选取压缩比?=11为目标值进行顶隙优化,顶隙由10.5mm缩小至9.3mm,分别利用GT-Power和AVL-Fire建立大缸径天然气发动机仿真模型。通过AVL-Fire缸内燃烧模型计算得出不同点火提前角下的燃烧放热率,结合GT-Power求解指示热效率itη,得到MBT点,为后续整机性能计算奠定基础;分别利用GT-Power和AVL-Fire模型,研究分析压缩比对大缸径天然气发动机整机性能和缸内燃烧过程的影响。由整机性能仿真结果可知:当压缩比由原机的ε=10.5增加到ε=11时,在转速n=1000r/min,过量空气系数a?=1.6,100%负荷,?=10.5时点火角为30°CA BTDC,压缩比?=11时,点火角度为26°CA BTDC的条件下,发动机的动力性和经济性都得到有效改善。指示热效率由34.83%上升到36.88%,增加了5.89%;缸内最大压力上升20.77%,且峰值更靠近上止点;有效燃料消耗率由224.07g/(kW·h)降至213.54 g/(kW·h),下降了4.70%。缸内燃烧模拟结果显示:随着压缩比的增加,气缸内火焰传播速度加快,缸内温度最大值明显增大;缸内出现NOx的时刻越早,并且NOx的生成也越多;当燃烧趋于结束,缸内温度开始下降,压缩比越大,温度降低得越快。(2)为研究燃烧室结构改变对大缸径天然气发动机性能的影响,以压缩比?=11为目标值,在原机燃烧室的基础上设计了2号和3号两种形状的燃烧室,利用AVL-Fire分别建立缸内燃烧模型并进行三维仿真计算。通过对比分析仿真结果表明:在转速n=1000r/min,过量空气系数a?=1.6,100%负荷,2号燃烧室点火角度为26°CA BTDC,3号燃烧室点火角度为28°CA BTDC的条件下。2号、3号燃烧室都可以改善发动机燃烧过程和火焰传播,相比于1号燃烧室,2号和3号燃烧室缸压峰值分别增加了10.04%、5.2%;2号和3号指示功率分别增加了3.16%、1.74%;2号和3号燃烧室指示燃油消耗率分别下降了2.2%、1.43%,因此2号燃烧室对于发动机动力性和经济性的提升效果更为明显。为验证仿真计算的合理可行性,在转速n=1000r/min,过量空气系数a?=1.6,全负荷工况下,对采用2号燃烧室的大缸径天然气发动机进行试验分析,通过试验值和仿真值的对比可知,仿真结果与试验值的相对误差在5%的合理范围内,因而说明仿真计算的合理可行性。
【关键词】：天然气发动机 数值模拟 压缩比 燃烧室形状
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK432
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 主要符号注释表10-11
• 第一章 绪论11-24
• 1.1 选题背景及意义11-13
• 1.2 内燃机替代燃料13-16
• 1.2.1 天然气燃料介绍13-14
• 1.2.2 天然气作为内燃机替代燃料的优势14-16
• 1.3 天然气发动机分类16-17
• 1.4 天然气发动机国内外研究现状17-20
• 1.4.1 国外对天然气发动机燃烧室优化设计的研究17-18
• 1.4.2 国内天然气发动机燃烧室优化设计研究现状18-20
• 1.5 数值模拟技术发展与应用20-22
• 1.5.1 内燃机数值模拟技术的发展20-21
• 1.5.2 数值模拟计算模型的划分21
• 1.5.3 数值模拟工具21-22
• 1.6 本文的研究目的和主要研究内容22-24
• 1.6.1 本文研究目的22-23
• 1.6.2 本文主要研究内容23-24
• 第二章 大缸径天然气发动机仿真模型的建立与验证24-39
• 2.1 GT-Power一维整机性能模型建立24-30
• 2.1.1 GT-Power一维模拟计算原理24-25
• 2.1.2 传热模型25-26
• 2.1.3 缸内燃烧模型26-27
• 2.1.4 GT-Power模型建立27-29
• 2.1.5 一维整机性能模型验证29-30
• 2.2 Fire天然气发动机三维仿真模型的建立30-38
• 2.2.1 AVL-Fire三维模拟计算原理30-31
• 2.2.2 湍流模型31-32
• 2.2.3 燃烧模型32-33
• 2.2.4 排放模型33-35
• 2.2.5 AVL-Fire模型建立35-37
• 2.2.6 Fire三维仿真模型的验证37-38
• 2.3 本章小结38-39
• 第三章 发动机顶隙优化设计与仿真计算39-55
• 3.1 发动机顶隙设计39-41
• 3.2 最佳点火提前角的确定41-45
• 3.2.1 最佳点火提前角的确定方法41-42
• 3.2.2 不同点火角的发动机性能仿真42-45
• 3.3 不同压缩比整机性能仿真计算45-47
• 3.4 不同压缩比三维仿真计算47-53
• 3.5 本章小结53-55
• 第四章 发动机燃烧室结构优化设计及仿真分析55-68
• 4.1 不同形状燃烧室的设计55-56
• 4.2 燃烧室形状对发动机性能的影响56-57
• 4.3 不同燃烧室形状三维仿真分析57-64
• 4.3.1 不同燃烧室形状对缸内速度场的影响57-60
• 4.3.2 燃烧室形状对缸内湍流场的影响60-61
• 4.3.3 燃烧室形状对缸内燃烧过程的影响61-62
• 4.3.4 燃烧室形状对温度的影响62-63
• 4.3.5 燃烧室形状对NOx生成的影响63-64
• 4.4 不同燃烧室形状经济性和动力性的对比64-65
• 4.5 试验结果对比分析65-66
• 4.5.1 试验平台简介65-66
• 4.5.2 试验结果分析66
• 4.6 本章小结66-68
• 第五章 总结与展望68-70
• 5.1 总结68-69
• 5.2 展望69-70
• 致谢70-71
• 参考文献71-74
• 在学期间发表的论文和取得的学术成果74

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本文编号：931646