本文關(guān)鍵詞：混合氣濃度場分布對稀燃天然氣發(fā)動機(jī)性能的影響

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【摘要】：天然氣作為傳統(tǒng)碳基石化燃料汽、柴油的替代燃料,以其資源豐富、價格低廉、燃燒清潔而被廣泛應(yīng)用。點(diǎn)燃式天然氣發(fā)動機(jī)主要包括當(dāng)量燃燒天然氣發(fā)動機(jī)和稀薄燃燒天然氣發(fā)動機(jī)兩種。其中稀燃天然氣發(fā)動機(jī)因相對較高的熱效率和較低的NOx排放而受到關(guān)注。但稀燃天然氣發(fā)動機(jī)為了獲得更低的NOx排放往往需要燃燒更稀的混合氣,這使得發(fā)動機(jī)循環(huán)變動上升,燃燒穩(wěn)定性下降,失去了熱效率高的優(yōu)勢。當(dāng)稀燃天然氣發(fā)動機(jī)合理組織缸內(nèi)混合氣分層后,發(fā)動機(jī)可在更高的過量空氣系數(shù)下運(yùn)轉(zhuǎn),在保證熱效率的同時帶來更好的NOx排放控制潛力。研究選取一臺六缸電控、增壓、多點(diǎn)噴射天然氣發(fā)動機(jī),分別建立了試驗(yàn)測控平臺和基于STAR-CD的數(shù)值模擬平臺。針對1450 r/min,25%負(fù)荷,開展了缸內(nèi)混合氣濃度分布對稀燃天然氣發(fā)動機(jī)性能影響的試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究。研究過程中,通過改變天然氣噴射時刻,噴射方向及噴孔數(shù)目,進(jìn)而改變了缸內(nèi)混合氣濃度分布。研究結(jié)果表明:1、天然氣發(fā)動機(jī)缸內(nèi)混合氣濃度的軸向分布在進(jìn)氣下止點(diǎn)時就已經(jīng)形成,進(jìn)氣壓縮階段主要是發(fā)生徑向上濃度的混合。在進(jìn)氣過程中,先進(jìn)入氣缸內(nèi)的天然氣較多的沉積在燃燒室底部,后進(jìn)入氣缸的天然氣較多的聚集在氣缸中上部。2、在一定范圍內(nèi),天然氣噴射時刻推遲,壓縮后期缸內(nèi)混合氣濃度呈現(xiàn)上濃下稀的分布,火花塞電極處天然氣濃度較高,利于燃燒初期火核形成,滯燃期相應(yīng)縮短,發(fā)動機(jī)CA10和CA50均呈現(xiàn)前移趨勢,燃燒定容性增強(qiáng),燃料經(jīng)濟(jì)型性提高,但相應(yīng)的NOx排放也升高。若天然氣噴射時刻過于推遲,燃料消耗率會出現(xiàn)上升趨勢,這主要由于壓縮負(fù)功和缸內(nèi)稀薄區(qū)域無法完全燃燒造成的;天然氣噴射時刻前移,缸內(nèi)混合氣濃度呈現(xiàn)上稀下濃的分布,火花塞電極處天然氣濃度較低,不利于初期火核形成,滯燃期延長,CA10、CA50后移,燃燒質(zhì)量惡化,NOx排放降低,燃料消耗率升高。3、天然氣噴射方向的變化影響混合氣進(jìn)入缸內(nèi)的時間,對缸內(nèi)混合氣濃度分布產(chǎn)生影響。豎直向上噴射天然氣,天然氣進(jìn)入缸內(nèi)時間會出現(xiàn)一定滯后;豎直向下噴射天然氣,天然氣在氣道內(nèi)駐留時間較短。因此,相同噴射時刻下,向上噴射天然氣,點(diǎn)火時刻火花塞附近濃度更高,CA10和CA50提前,燃料經(jīng)濟(jì)性略好,NOx排放較高。4、對于試驗(yàn)工況,兩種噴射方向下均有其最適邊界參數(shù),同時兼顧NOx排放和燃料經(jīng)濟(jì)性。對于向上噴射天然氣,采用燃?xì)?35°CA BTDC噴射和27°CA BTDC點(diǎn)火進(jìn)行優(yōu)化。對于向下噴射天然氣,宜采用天然氣噴射時刻295°CA BTDC和23°CA BTDC點(diǎn)火的時刻進(jìn)行優(yōu)化。5、天然氣噴孔數(shù)目試驗(yàn)中發(fā)動機(jī)最高爆發(fā)壓力和放熱率峰值三孔最高,雙孔次之,單孔最低;CA10和CA50均隨著噴孔數(shù)目的增加而逐漸前移。此外,三孔噴射時NOx排放最高,單孔噴射排放最低;單孔噴射天然氣時發(fā)動機(jī)燃料消耗率略高于其它兩種情況。
【關(guān)鍵詞】：天然氣發(fā)動機(jī) 數(shù)值模擬 混合氣濃度場 燃燒排放 噴射參數(shù)
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK46
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-25
• 1.1 引言11-17
• 1.1.1 能源與環(huán)境問題11-14
• 1.1.2 汽車代用燃料的應(yīng)用及發(fā)展14-17
• 1.2 天然氣發(fā)動機(jī)的研究進(jìn)展17-23
• 1.2.1 天然氣發(fā)動機(jī)的分類17-18
• 1.2.2 不同類型天然氣發(fā)動機(jī)特點(diǎn)18-20
• 1.2.3 稀燃天然氣發(fā)動機(jī)關(guān)鍵技術(shù)20-23
• 1.3 本研究的意義及主要內(nèi)容23-25
• 第2章 發(fā)動機(jī)測控平臺的搭建25-33
• 2.1 試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)25-26
• 2.2 試驗(yàn)測試設(shè)備及儀器26-28
• 2.3 天然氣噴射方向及噴孔數(shù)目變化的實(shí)現(xiàn)28-30
• 2.3.1 3D打印實(shí)現(xiàn)天然氣噴射方向及噴孔數(shù)目變化28-29
• 2.3.2 天然氣噴頭 3D打印方法29-30
• 2.4 試驗(yàn)臺架的布置30-32
• 2.5 本章小結(jié)32-33
• 第3章 天然氣發(fā)動機(jī)數(shù)值模擬平臺的建立33-41
• 3.1 幾何模型和計(jì)算網(wǎng)格的生成33-37
• 3.1.1 計(jì)算服務(wù)器的選擇33
• 3.1.2 幾何模型的建立33-35
• 3.1.3 計(jì)算網(wǎng)格的劃分35-37
• 3.2 物理模型及算法的選擇37-39
• 3.2.1 湍流模型37-38
• 3.2.2 求解算法38-39
• 3.3 初始邊界條件的選擇和模型驗(yàn)證39-40
• 3.3.1 計(jì)算初始邊界條件39
• 3.3.2 模型驗(yàn)證39-40
• 3.4 本章小結(jié)40-41
• 第4章 混合氣濃度場變化規(guī)律的模擬研究41-61
• 4.1 研究方案41-42
• 4.1.1 選取工況點(diǎn)及邊界參數(shù)41
• 4.1.2 后處理說明41-42
• 4.2 缸內(nèi)流體運(yùn)動歷程42-47
• 4.2.1 發(fā)動機(jī)缸內(nèi)速度場變化歷程42-45
• 4.2.2 發(fā)動機(jī)缸內(nèi)湍動能變化歷程45-47
• 4.3 混合氣濃度場隨噴射時刻的變化規(guī)律47-53
• 4.3.1 天然氣噴射時刻對甲烷濃度場分布的影響47-48
• 4.3.2 混合氣濃度場變化歷程48-51
• 4.3.3 混合氣濃度場分布的量化分析51-53
• 4.4 混合氣濃度場隨噴射方向的變化規(guī)律53-58
• 4.4.1 天然氣噴射方向?qū)淄闈舛葓龇植嫉挠绊?/span>54-55
• 4.4.2 混合氣濃度場變化歷程55-57
• 4.4.3 混合氣濃度場分布的量化分析57-58
• 4.5 本章小結(jié)58-61
• 第5章 混合氣濃度場分布對發(fā)動機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究61-87
• 5.1 研究方案61
• 5.2 噴氣時刻61-70
• 5.2.1 噴氣時刻對發(fā)動機(jī)性能影響規(guī)律61-66
• 5.2.2 噴氣時刻結(jié)合點(diǎn)火時刻對發(fā)動機(jī)性能的影響66-70
• 5.3 噴氣方向70-81
• 5.3.1 噴氣方向?qū)Πl(fā)動機(jī)性能影響規(guī)律70-73
• 5.3.2 噴氣方向結(jié)合噴氣時刻對發(fā)動機(jī)性能的影響73-77
• 5.3.3 噴氣方向結(jié)合點(diǎn)火時刻對發(fā)動機(jī)性能的影響77-81
• 5.4 噴孔數(shù)目81-84
• 5.4.1 噴孔數(shù)目對發(fā)動機(jī)燃燒過程的影響規(guī)律82-83
• 5.4.2 噴孔數(shù)目對發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性和排放特性的影響規(guī)律83-84
• 5.5 本章小結(jié)84-87
• 第6章 全文總結(jié)及工作展望87-91
• 6.1 全文總結(jié)87-89
• 6.2 工作展望89-91
• 參考文獻(xiàn)91-95
• 作者簡介與科研成果95-97
• 致謝97

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