压燃式甲醇直喷发动机燃烧过程研究

发布时间：2017-09-23 17:08

  本文关键词：压燃式甲醇直喷发动机燃烧过程研究

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【摘要】：甲醇燃料由于其辛烷值高、抗爆性好、火焰传播速度快以及接近于零的颗粒物排放等优点而逐渐被广泛关注。甲醇在压燃式发动机的热效率高,但由于甲醇的十六烷值低、汽化潜热大以及自燃温度高等原因,致使甲醇在压燃式发动机里通常无法通过压燃方式燃烧,需要采取一些助燃措施。助燃甲醇的措施主要有两种:(1)增加进气温度,使得在压缩上止点附近的缸内温度达到甲醇的自燃温度;(2)改变甲醇燃烧的着火方式,从压缩燃烧的着火方式变为火花塞点燃的着火方式。本文采取第一种措施,从增加进气温度入手,以一台四缸发动机为研究对象,建立压燃发动机的缸内燃烧模型,并通过已有的柴油燃料试验值对仿真模型进行验证。在验证模型有效性的基础上,用甲醇燃料替换柴油燃料,对压燃发动机燃用甲醇燃料进行相关特性研究,对不同进气温度、喷油正时和喷孔直径等工况参数和几何参数进行仿真计算,实现对甲醇燃烧过程的分析,主要研究内容如下:(1)建立压燃式直喷发动机的数学计算模型;(2)建立发动机的物理几何模型,并进行网格划分;(3)进行边界条件和模型参数的设置,验证模型的有效性;(4)在模型验证有效性的基础上,将柴油替换为甲醇燃料,分析甲醇在压燃式发动机缸内燃烧过程分析;(5)对所建立的模型,使用变参数法对进气温度、喷油正时、喷孔直径等参数对甲醇燃烧过程的影响进行分析。分析结果表明:(1)随着进气温度的提高,甲醇着火时刻提前,燃烧滞燃期缩短,缸内的温度曲线整体上升。进气温度过低会无法达到甲醇燃烧的自燃温度,温度过高则会导致甲醇燃烧提前。在不同的曲轴转角下,缸内平均温度均随着进气温度的升高而升高,而且相同相位下高温区域所占的面积也随着进气温度的升高而增大。(2)随着喷油正时的提前,甲醇燃烧时刻提前,缸内燃烧压力、缸内燃烧温度升高,放热率曲线峰值显著增加,主要原因是喷油正时提前,甲醇油束在上止点之前与缸内气流混合、雾化蒸发的时间更长,形成更多的甲醇可燃混合气。放热率曲线出现急剧的峰值,会导致燃烧噪声和机械负荷问题的增加。(3)随着喷孔直径的减小,甲醇油滴的索特平均直径减小,喷雾前锋贯穿距离减小,喷雾破碎越细,蒸发雾化质量越好,从而促进喷雾更均匀,直接导致着火滞燃期缩短,最大爆发压力升高,而且最大爆发压力出现时刻提前,缸内最高温度升高,最高温度出现时刻提前,但是喷孔直径过大会导致甲醇后燃、燃烧恶化等问题。本文的仿真计算结果为甲醇能在压燃发动机内燃烧提供了一种方法,对甲醇在压燃式发动机内的燃烧过程研究提供了一定的依据,为压燃式甲醇直喷发动机的燃油供给系统设计和燃烧过程控制提供了依据。
【关键词】：甲醇发动机 压燃燃烧 燃烧数值模拟 变参数法
【学位授予单位】：上海工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U464.178
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 绪论14-25
• 1.1 课题背景14-15
• 1.2 代用燃料在内燃机上的应用15-21
• 1.2.1 常见代用燃料15-16
• 1.2.2 甲醇作为替代燃料的意义16-17
• 1.2.3 甲醇在压燃式发动机上的应用17-18
• 1.2.4 甲醇燃料在国内外的应用现状18-21
• 1.3 内燃机缸内流动和燃烧模拟现状21-22
• 1.4 FIRE软件简介22-23
• 1.5 本文的研究内容23-25
• 第二章 压燃式发动机多维数值计算模型25-39
• 2.1 气相湍流流动模型25-30
• 2.1.1 湍流的数值模拟方法25-26
• 2.1.2 湍流运动的基本守恒方程26-27
• 2.1.3 湍流对流的雷诺应力时均方程27-28
• 2.1.4 常用湍流方程28-30
• 2.2 燃油喷雾模型30-37
• 2.2.1 基本方程30-32
• 2.2.2 液滴蒸发模型32-33
• 2.2.3 液滴破碎模型33-35
• 2.2.4 液滴碰撞聚合模型35-36
• 2.2.5 液滴湍流扩散模型36-37
• 2.3 燃烧模型37
• 2.4 排放模型37-38
• 2.4.1 NOX的生成途径37-38
• 2.4.2 扩展的Zeldovich模型38
• 2.5 本章小结38-39
• 第三章 压燃式直喷发动机计算模型的建立与验证39-50
• 3.1 压燃式直喷发动机燃烧室物理模型建立39-41
• 3.1.1 计算对象39
• 3.1.2 燃烧室几何模型的建立39-40
• 3.1.3 网格划分40-41
• 3.2 计算模型的选取41-42
• 3.2.1 缸内气体流动模型41
• 3.2.2 燃油喷雾模型41
• 3.2.3 燃烧及排放模型41-42
• 3.3 初始条件及边界条件的确定42-43
• 3.3.1 初始条件的设置42-43
• 3.3.2 边界条件的设置43
• 3.4 计算模型的验证43-44
• 3.5 甲醇缸内燃烧过程研究44-49
• 3.5.1 甲醇缸内燃烧过程分析44-46
• 3.5.2 缸内喷雾流场分析46-48
• 3.5.3 甲醇缸内燃烧温度场与浓度场分析48-49
• 3.6 本章小结49-50
• 第四章 甲醇发动机变参数燃烧研究50-67
• 4.1 进气温度对甲醇压燃燃烧的影响50-54
• 4.1.1 进气温度对甲醇燃烧性能的影响50-52
• 4.1.2 进气温度对缸内温度场的影响52-53
• 4.1.3 进气温度对缸内甲醇浓度场的影响53-54
• 4.2 喷油正时对甲醇压燃燃烧的影响54-58
• 4.2.1 喷油正时对甲醇燃烧性能的影响54-56
• 4.2.2 喷油正时对缸内温度场影响56-57
• 4.2.3 喷油正时对缸内甲醇浓度场的影响57-58
• 4.3 喷孔直径对甲醇压燃燃烧的影响58-65
• 4.3.1 喷孔直径对喷雾粒度的影响分析58-60
• 4.3.2 喷孔直径对甲醇燃烧性能的影响60-61
• 4.3.3 喷孔直径对甲醇缸内温度场的影响61-64
• 4.3.4 喷孔直径对甲醇缸内浓度场的影响64-65
• 4.4 本章小结65-67
• 第五章 结论与展望67-69
• 5.1 总结67-68
• 5.2 展望68-69
• 参考文献69-72
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果72-73
• 致谢73-74

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本文编号：906444