单一燃料天然气内燃机动力循环过程的数值模拟与优化研究

【摘要】：由于全球石油燃料的大量消耗和以及对环境的严重污染，天然气作为可替代的清洁能源日益受到关注，天然气汽车也因此在世界范围内得到迅速发展。由于天然气独特的物理化学性质以及低污染的燃烧排放，使得单一天燃料然气内燃机成为内燃机发展的重要方向。然而，天然气作为内燃机的燃料使用时也存在较多的问题；例如整个内燃机循环的热力学过程不够清晰，动力输出不足，燃烧相对缓慢等等。因此，针对单一燃料天然气内燃机的工作进程开展研究，对提高其工作性能具有重要的意义。 本文建立了三维CFD模型对内燃机的四冲程的工作过程开展了深入研究，同时基于基本的守恒方程和边界条件，建立了零维数学模型来模拟内燃机的整个热力学循环过程。在三维和零维数学模型得到了实验数据验证的前提下，本文采用三维和零维模型开展进一步研究，详细分析了单一燃料天然气内燃机的热力学循环特性、燃烧特性，并提出了优化方案。 首先，本文开展了天然气预混点燃的单一燃料天然气内燃机工作特性，发现缸内的燃烧受湍流流动的显著影响。基于三维CFD计算，明显看到湍流脉动使得火焰界面发生弯曲和褶皱，加大了火焰面与未燃混合气的接触面积，从而加快缸内的燃烧速度。但燃烧的核心区域会在气流的作用下产生偏离，导致缸内的温度分布并不均匀，局部温度较高。相对非预混燃烧，缸内预混点燃的燃烧速度主要受火焰的传播速度影响，化学反应只在火焰面内进行，因此天然气的燃烧过程相对较为缓慢，选用汽油机的点火提前角下，往往使得主燃期推迟，影响内燃机工作效率和功率输出。针对NO的计算结果表明，NO分布受缸内温度和湍流的影响明显,其生成速率在高温时明显增加，并在燃烧后期基本保持不变。 同时，均质压燃（HCCI）技术作为一种新型的内燃机燃烧技术能实现稀薄状态下的高效和清洁燃烧。本文基于Chemkin建立了的天然气的化学反应机理模型，并耦合到CFD计算中，开展单一燃料天然气均质压燃的三维CFD模拟研究。相比天然气的预混点燃燃烧，均质压燃燃烧的燃烧速度基于天然气的化学反应动力学，受缸内湍流扰动的影响较小，可实现较高空燃比的稀薄燃烧，从而提高其燃烧效率。由于在稀薄燃烧下缸内的燃烧温度较低，可以进一步减小NO的生成，实现其清洁燃烧；但均质燃烧主要受化学反应动力学的控制，对其燃烧速度的控制较为困难。过快的燃烧速度也使得缸内的压力瞬时产生跃升，在空燃比较小的情况下，容易产生敲缸等问题。本文还比较了不同过量空气系数及进气温度对均质压燃燃烧的影响，发现随着过量空气系数的增大，缸内的着火温度推迟，缸内的最高温度下降明显，其NO的生成量进一步减小；在一定压缩比下，其压燃燃烧的结果受进气温度的依赖较大。 另外，本文基于天然气预混燃烧的三维CFD数值模拟，建立了针对天然气在缸内燃烧放热的Weibe方程，并结合零维的内燃机四冲程热力学过程计算模型开展了研究，分析了天然气预混点火的单一燃料天然气内燃机热力学循环过程，比较了不同点火提前角，气缸压缩比以及过量空气系数等参数对单一燃料天然气内燃机工作性能的影响，优化了运行参数。 【关键词】：天然气 内燃机 燃烧 数值模拟
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK431
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 符号说明10-12
• 1 绪论12-22
• 1.1 课题的研究背景及研究意义12-15
• 1.1.1 当今国际石油燃料的短缺和环境污染的现状12
• 1.1.2 天然气燃料的物理化学特性12-13
• 1.1.3 国内外天然气汽车的发展现状13-14
• 1.1.4 天然气内燃机在燃烧过程中的主要问题14-15
• 1.2 数值模拟在天然气内燃机研发中的应用15-20
• 1.2.1 针对天然气内燃机的数值模拟研究15-18
• 1.2.2 热力学模型在天然气内燃机研发中的应用18-19
• 1.2.3 研究现状总结19-20
• 1.3 本文研究的目的和主要内容20-22
• 1.3.1 研究主要目的20
• 1.3.2 研究主要内容20-22
• 2 四冲程循环的热力学模型的建立22-30
• 2.1 天然气柴油热力学零维模型22-28
• 2.1.1 基本数学模型23-26
• 2.1.2 瞬时气缸体积模型26
• 2.1.3 气缸进排气质量模型26-27
• 2.1.4 燃烧速率模型---Weibe 函数27
• 2.1.5 内燃机散热函数27-28
• 2.1.6 滞燃期模型28
• 2.1.7 摩擦模型28
• 2.2 模型建立和计算流程28-30
• 3 四冲程循环三维 CFD 模型的建立30-36
• 3.1 三维模型基本方程30-31
• 3.1.1 连续性方程30
• 3.1.2 动量守恒方程（以 i 方向为例）30-31
• 3.1.3 能量守恒方程31
• 3.1.4 组分输运方程31
• 3.2 内燃机 CFD 计算中的主要模型31-36
• 3.2.1 湍流模型—k-? 模型31-32
• 3.2.2 喷射模型32
• 3.2.3 离散相（DPM）模型32-33
• 3.2.4 燃烧速率模型—EDC 模型33-34
• 3.2.5 排放模型—NO_x34-36
• 4 零维模型和三维 CFD 模拟的结果分析36-52
• 4.1 基于柴油机对零维模型的验证以及优化36-40
• 4.1.1 内燃机参数36
• 4.1.2 模型验证36-37
• 4.1.3 零维模型对柴油机工作过程的优化37-40
• 4.2 三维柴油机的 Fluent 的模拟及验证40-50
• 4.2.1 几何模型的建立40-41
• 4.2.2 Fluent 中动网格的设置与实现41-42
• 4.2.3 边界条件及初始条件设置42-43
• 4.2.4 柴油机燃烧模拟验证43-44
• 4.2.5 模拟结果与数据分析44-50
• 4.3 本章小结50-52
• 5 单一燃料天燃气内燃机的数值模拟及优化52-80
• 5.1 预混点燃单一燃料天然气内燃机三维数值研究52-59
• 5.1.1 预混点燃天然气气缸参数52
• 5.1.2 预混点燃天然气内燃机燃烧结果分析52-59
• 5.2 HCCI 单一燃料天然气内燃机三维数值研究59-69
• 5.2.1 天然气缸内燃烧反应动力学机理59-60
• 5.2.2 HCCI 天然气内燃机参数60-61
• 5.2.3 HCCI 天然气内燃机燃烧结果分析61-66
• 5.2.4 不同过量空气系数及进气温度对燃烧的影响66-69
• 5.3 基于零维模型对单一燃料天然气内燃机的研究69-79
• 5.3.1 预混天然气燃烧的 Weibe 放热方程70-72
• 5.3.2 天然气预混点燃内燃机的模拟及优化72-79
• 5.4 本章结论79-80
• 6 结论与展望80-82
• 6.1 主要结论80-81
• 6.2 展望81-82
• 致谢82-84
• 参考文献84-88
• 附录88
• A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录88
• B 作者在攻读硕士学位论文期间参加的科研项目88

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