缸内直喷CNG发动机稀薄燃烧特性仿真研究

发布时间：2017-10-14 05:34

  本文关键词：缸内直喷CNG发动机稀薄燃烧特性仿真研究

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【摘要】：为了应对当前严重的能源和环境危机,同时又要满足日益严苛的排放法规,大力发展节能、环保的发动机代用燃料迫在眉睫。以天然气作为燃料,不仅可以缓解能源危机,还可以有效的降低汽车排放。通过缸内直喷技术,可有效的提高CNG发动机的充量系数,适当的增大压缩比,可进一步提高发动机的动力性;采用稀薄燃烧技术,在保证发动机经济型的同时,还可以有效的降低排放。本文通过仿真计算的方法,研究了高压缩比缸内直喷CNG发动机的稀薄燃烧特性。(1)根据原CNG发动机的结构参数与实验数据,利用AVL Boost和Fire仿真平台分别建立发动机一维和三维仿真模型并进行校核与验证;在已验证过的原机模型的基础上,将发动机压缩比提高至12:1,同时在汽缸盖上加装喷气阀,完成缸内直喷CNG发动机三维缸内燃烧模型的建立,进而进行仿真计算。计算工况:n=1600r/min,MAP=169kPa,节气门全开,φ_a=1.5。(2)单次喷射仿真研究结果表明:在进气冲程中,喷气时刻越早,在20°CA BTDC形成的混合气均匀度越好,随着喷气时刻的推迟,混合气均匀度变差;在压缩冲程中,由于受直喷的高压天然气的影响,喷气时刻越早,在20°CA BTDC亦能形成较为均质的混合气,且缸内流场的平均流速高于在进气冲程中喷气的平均流速,但其混合气均匀度略差于进气冲程中喷射。在压缩冲程中喷气的充量系数最大,且比在进气冲程喷气的最大充量系数高13.2%,进气道喷射的充量系数略高于在进气冲程早期喷气的充量系数,略低于在进气冲程末期喷气的充量系数;对于单次喷射来说,不同的喷气时刻均对应不同的最佳点火提前角;当θ_(ig)为最佳点火提前角时,在压缩冲程喷气的缸内压力峰值、缸内平均温度峰值以及缸内NO质量分数都高于在进气冲程喷气;在进气冲程和压缩冲程中喷气,均存在最佳的喷气时刻,此时两者指示热效率和指示燃料消耗率相差不大,但压缩冲程中喷气的指示平均压力比进气冲程中喷气高8.11%。(3)两次喷射仿真研究结果表明:通过两次喷射组织稀薄燃烧,第一次喷射完成后,在点火时刻附近,缸内要形成较为均匀的混合气;第二次喷射完成后,缸内混合气形成良好的分层,且火花塞附近混合气较浓,远离火花塞区域混合气浓度逐渐降低。当第一次喷气时刻和喷气比例固定时,存在最佳的第二次喷气时刻,使得缸内混合气在点火时刻形成良好的分层;不同的第二次喷气时刻,对应着不同的最佳点火提前角;在最佳点火提前角下,存在一个最佳的第二次喷气时刻,使得η_(it)最大;当喷气比例为4:1时,第二次最佳喷气时刻为45°CA BTDC。当两次喷气时刻固定时,存在一个最佳的喷气比例,使得缸内混合气在点火时刻形成良好的分层;不同的喷气比例,对应着不同的最佳点火提前角;在最佳点火提前角下,当两次喷气时刻都固定时,随着喷气比例的增加,发动机η_(it)先增大后减少;当喷气比例为5:1时,η_(it)最大,此比例为第二次喷气时刻为45°CA BTDC的最佳喷气比例;不同的喷气比例对应着不同的最佳喷气时刻,且随着喷气比例的增大,最佳喷气时刻提前。在最佳喷气时刻下,随着喷气比例的增加,η_(it)提高,但增幅不大。(4)对单次喷射、两次喷射和进气道喷射的发动机稀薄燃烧特性进行对比分析,结果表明:当θ_(ig)为最佳点火提前角时,两次喷射的η_(it)最高,进气道喷射的η_(it)比单次略高;但由于充气效率的影响,两次喷射的IMEP比进气道喷射高10.81%;在燃烧过程中,两次喷射火焰传播最快,进气道喷射在燃烧初期和燃烧末期火焰传播快于单次喷射;因此,两次喷射缸内平均温度上升最快,且温度最先达到最大值;两次喷射缸内最高温度最大,单次次之,进气道喷射最小;燃烧后期,两次喷射和进气道喷射温度下降速度最快,单次喷射略慢;由于两次喷射温度上升较快,故其NO质量分数也较快的增长;当缸内平均温度达到最大值后,NO质量分数也达到最大值,且此后保持不变,最终,两次喷射生成的NO质量分数最大,单次喷射次之,进气道喷射最小。
【关键词】：CNG发动机 缸内直喷 稀薄燃烧 喷射策略
【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】：U464.174
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 主要符号注释表11-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 天然气燃料的特点13
• 1.3 缸内直喷CNG发动机的基本思路13-15
• 1.4 缸内直喷CNG发动机国内外研究现状15-19
• 1.4.1 国外研究现状15-17
• 1.4.2 国内研究现状17-19
• 1.5 本文的主要研究内容19-22
• 第二章 缸内直喷CNG发动机仿真模型的建立22-35
• 2.1 发动机基本参数22
• 2.2 一维整机性能仿真模拟22-27
• 2.2.1 AVL Boost热力学基本方程22-23
• 2.2.2 燃烧模型23-24
• 2.2.3 传热模型24-25
• 2.2.4 管道流动模型25-26
• 2.2.5 AVL Boost原机模型的建立26-27
• 2.3 三维缸内燃烧仿真模拟27-31
• 2.3.1 基本控制方程27-28
• 2.3.2 燃烧模型28
• 2.3.3 流动模型28-29
• 2.3.4 NOx排放模型29-30
• 2.3.5 AVL Fire原机模型的建立30-31
• 2.4 原机仿真模型的验证及缸内直喷模型的建立31-33
• 2.4.1 原机仿真模型的验证31-32
• 2.4.2 缸内直喷CNG模型的建立32-33
• 2.5 本章小结33-35
• 第三章 单次喷射对缸内直喷CNG发动机稀薄燃烧特性的影响35-50
• 3.1 喷气时刻对缸内混合气形成过程的影响35-39
• 3.2 喷气时刻对发动机充量系数的影响39-41
• 3.3 不同喷气时刻最佳点火提前角的优化41-45
• 3.3.1 点火提前角对缸内平均压力的影响42-43
• 3.3.2 点火提前角对瞬时放热率和平均燃烧温度的影响43-44
• 3.3.3 点火提前角对发动机整机性能的影响44-45
• 3.4 喷气时刻对发动机燃烧特性和整机性能的影响45-49
• 3.4.1 喷气时刻对发动机燃烧性能的影响45-47
• 3.4.2 喷气时刻对发动机整机性能的影响47-49
• 3.5 本章小结49-50
• 第四章 两次喷射对缸内直喷CNG发动机稀薄燃烧特性的影响50-62
• 4.1 两次喷射的基本思路50
• 4.2 第二次喷气时刻对发动机性能的影响50-56
• 4.2.1 第二次喷气时刻对缸内分层混合气形成过程的影响50-53
• 4.2.2 第二次喷气时刻对火焰传播速度的影响53-54
• 4.2.3 第二次喷气时刻最佳点火提前角的优化54
• 4.2.4 第二次喷气时刻对发动机性能的影响54-56
• 4.3 喷气比例对发动机性能的影响56-59
• 4.3.1 喷气比例对缸内混合气浓度分布的影响56-58
• 4.3.2 不同喷气比例的最佳点火提前角的优化58
• 4.3.3 喷气比例对发动机性能的影响58-59
• 4.4 喷气比例和喷气时刻的三维MAP关系59-60
• 4.5 本章小结60-62
• 第五章 不同喷射策略对CNG发动机稀薄燃烧特性的影响62-69
• 5.1 进气道喷射对发动机性能的影响62-63
• 5.2 不同喷射策略对CNG发动机整机性能的影响63
• 5.3 不同喷射策略对缸内燃烧性能的影响63-67
• 5.3.1 不同喷射策略对缸内火焰传播速度的影响64-65
• 5.3.2 不同喷射策略对缸内平均温度的影响65-66
• 5.3.3 不同喷射策略对NO_x排放的影响66-67
• 5.4 本章小结67-69
• 第六章 总结与展望69-73
• 6.1 全文总结69-71
• 6.2 工作展望71-73
• 致谢73-74
• 参考文献74-77
• 在校期间取得的研究成果77

【参考文献】

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本文编号：1029304