微引燃柴油喷射对缸内直喷天然气燃烧过程的影响研究

【摘要】：柴油机因其热效率高，扭矩大，耐久性好而受到中型和重型作业的青睐。柴油机的主要排放物有NOX，THC，CO和PM，占空气污染物中至少33%的NOX，70%以上直径大于2.5μm的PM，因此，各国政府都已意识到柴油机排放的危害，纷纷立法进行环境保护。同时，石油危机也促使开发代用燃料成为必然的发展趋势。天然气储量丰富，价格便宜，是公认的高效清洁燃料。但是传统天然气发动机因充气效率低，受爆震限制达不到预期的动力要求，其优势没有得到充分的发挥。如果在柴油机上保持高压缩比，利用少量柴油自燃来点燃高压直喷入发动机缸内的天然气，不仅可以改善柴油机的排放，还能保留柴油机的高效性，成为国际发展的一个重要方向。 本文从引燃柴油的不同喷射时刻，引燃柴油与天然气不同喷射夹角，引燃柴油占总能量不同比率三方面研究了引燃柴油对缸内直喷天然气燃烧的影响。首先应用三维CAD软件Pro/E建立燃烧室的几何模型。由于燃烧室的对称性及喷孔数目，建立了六分之一燃烧室的模型。应用先进的CAE前处理软件ICEM-CFD独特的O-Grid砍块功能进行网格划分，使燃烧室模型全部为结构化六面体网格，大大提高了计算精度并且缩短了计算时间，将网格模型导入STAR-CD中生成动网格，并编写动网格的控制程序。建立国外试验机的燃烧室模型，在STAR-CD中设定边界条件进行计算，模拟结果与实验结果能较好的吻合，为本次模拟提供了很好的验证。通过结果分析得到以下结论： 1.本文中柴油的喷射时刻分别为14BTDC、10BTDC和5BTDC。对三组仿真数据进行分析得出，推迟引燃柴油的喷射时刻，气缸内平均压力和平均温度的峰值均有所降低，缸内平均压力的峰值降低率分别为13.99%和28.99%，温度峰值的降低率为7.4%和11.7%，但是随着引燃柴油喷射时刻的推迟，发动机的排放性能越来越好。 2.本文研究了柴油和天然气的喷射夹角分别为0度、15度和30度的模型。计算结果显示，引燃柴油和天然气之间的喷射夹角为0度和15度时，天然气喷束能全部在柴油燃烧形成的高温区内，当夹角为30度时，引燃柴油燃烧产生的高温区从天然气的两侧开始点燃天然气。所研究的三组中夹角为15度时天然气燃烧的最好。 3.通过改变柴油的喷射量，本文分别研究了引燃柴油占总能量百分比为：I=0.7%、I=1%、I=1.7%、I=3.3%和I=5%的五组不同燃油量对天然气燃烧的影响。通过分析得出，I=0.7%时柴油不能点燃天然气，柴油微引燃天然气发动机中引燃柴油的量有最小要求。引燃柴油量增多，气缸内的平均压力和平均温度峰值上升，有利于天然气的燃烧。对I=1%、I=1.7%、I=3.3%和I=5%的数据进行分析对比，本文中平均压力峰值的上升幅度分别为4.7%、7.6%和10.2%；平均温度峰值上升幅度为2.4%、4.9%和6.7%。NO的排放量与引燃柴油的比率成正比，但总体影响不大，本文中NO的排放均达到了EUⅣ的排放标准。 【关键词】：微引燃 柴油喷射 天然气 仿真
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK421.2
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-21
• 1.1 柴油机发展面临的问题12-14
• 1.1.1 柴油机的排放物12-13
• 1.1.2 国内外柴油机排放法规13-14
• 1.2 天然气发动机的发展14-15
• 1.3 柴油微引燃缸内高压直喷天然气发动机15-18
• 1.4 CFD 技术在发动机研究中的应用18-19
• 1.5 本文研究的主要内容19-21
• 第2章 柴油微引燃缸内直喷天然气发动机燃烧过程仿真原理21-29
• 2.1 基本控制方程21-22
• 2.1.1 质量守恒方程21-22
• 2.1.2 动量守恒方程22
• 2.1.3 能量守恒方程22
• 2.2 湍流模型22-23
• 2.3 喷雾、液滴破碎及撞壁模型23-24
• 2.3.1 喷雾模型23-24
• 2.3.2 液滴破碎24
• 2.3.3 撞壁模型24
• 2.4 着火、燃烧及排放物模型24-28
• 2.4.1 着火模型24-25
• 2.4.2 燃烧模型25-27
• 2.4.3 排放物模型27-28
• 2.4.3.1 NOX模型27-28
• 2.4.3.2 SOOT 模型28
• 2.5 本章小结28-29
• 第3章 柴油微引燃缸内直喷天然气发动机燃烧过程仿真建模及有效性验证29-36
• 3.1 几何模型的建立29-30
• 3.2 计算网格的生成30-32
• 3.3 计算初始边界条件的设定32-33
• 3.4 模型的有效性验证33-34
• 3.5 本章小结34-36
• 第4章 微引燃柴油不同参数对缸内燃烧影响的仿真研究36-71
• 4.1 不同柴油喷射时刻对天然气燃烧的影响36-48
• 4.1.1 不同柴油喷射时刻对燃烧特性的影响37-39
• 4.1.2 不同柴油喷射时刻对燃烧过程的影响39-48
• 4.1.2.1 不同柴油喷射时刻对缸内压力的影响40
• 4.1.2.2 不同柴油喷射时刻对速度场的影响40-43
• 4.1.2.3 不同柴油喷射时刻对温度场的影响43-46
• 4.1.2.4 不同柴油喷射时刻对排放的影响46-48
• 4.2 柴油与天然气不同喷射夹角对天然气燃烧的影响48-57
• 4.2.1 不同喷射夹角对燃烧特性的影响49-50
• 4.2.2 不同喷射夹角对缸内燃烧过程的影响50-57
• 4.2.2.1 不同喷射夹角对缸内压力的影响50-51
• 4.2.2.2 不同喷射夹角对缸内浓度的影响51-53
• 4.2.2.3 不同喷射夹角对缸内温度场的影响53-56
• 4.2.2.4 不同喷射夹角对排放物的影响56-57
• 4.3 不同引燃柴油量对天然气燃烧的影响57-69
• 4.3.1 引燃柴油量对燃烧特性的影响57-60
• 4.3.2 引燃柴油量对燃烧过程的影响60-69
• 4.3.2.1 不同引燃柴油量对缸内压力的影响60-61
• 4.3.2.2 不同引燃柴油量对温度场的影响61-65
• 4.3.2.3 不同引燃柴油量对排放物的影响65-69
• 4.4 本章小结69-71
• 第5章 全文总结及工作展望71-74
• 5.1 全文总结71-73
• 5.2 工作展望73-74
• 参考文献74-79
• 致谢79

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