压燃式天然气发动机燃烧过程模拟计算和试验研究

论文摘要

本文提出了一种新的压燃式天然气发动机燃烧系统。为了使高辛烷值的天然气实现压缩着火,该系统采用了高压缩比、电热塞助燃和燃烧室壁面喷涂隔热层等技术措施,并采用了进气预热。为了克服高辛烷值天然气在压缩着火和燃烧过程中出现的失火和敲缸现象,该燃烧系统采用了分隔室式燃烧室结构和天然气复合供气系统,从而实现了主、副燃烧室内的混合气浓度分层和温度分层,有效地控制了着火时刻及燃烧速度,拓展了发动机的运行范围。为了进一步改善发动机的起动性,扩展稀燃界限,增大高负荷运行范围,采用了助燃添加剂和热EGR的技术措施,取得了明显的效果。本文介绍了这一压燃式天然气发动机燃烧系统的研制和开发工作,其中包括新型燃烧系统的构思、燃烧室形状和隔热结构设计、复合供气系统设计、EGR系统设计、助燃添加剂供给系统设计等。本文介绍了作者对这一燃烧系统进行的模拟计算和燃烧机理分析。为对这一燃烧系统进行模拟计算,研究其燃烧机理和影响因素,首先建立了由23种物质和42个基元反应式组成的天然气化学动力学简化机理,并将该机理与CFD模拟软件相结合对压缩着火天然气发动机的燃烧过程进行了模拟计算。模拟计算结果表明,复合供气模式能够通过进气温度、进气终了缸内混合气浓度、电热塞温度、高低压供气量、高压喷气起始时刻等参数的优化组合在燃烧室内形成合理的混合气浓度分层和温度分层,实现了两级燃烧,扩大了发动机的运行范围。进气温度、电热塞温度及供气量等运行参数对压缩着火天然气发动机的着火和燃烧过程影响较大,它们主要是通过改变主、副室内混合气温度分层和浓度分层效果来影响着火和燃烧过程的;燃烧室几何形状对燃烧性能的影响主要是通过气流运动起作用的。涡流对着火的影响要强于湍流,湍流的主要作用在于促进提高燃烧速度,缩短燃烧持续时间。本文还介绍了作者在原理样机上进行的试验研究,试验结果与模拟计算相吻合。试验结果表明,进气道低压供气模式最容易起动,其次为复合供气模式,缸内高压供气模式难以起动。当压力升高率超过0.65MPa/℃A时,发动机出现轻微敲缸现象,而当压力升高率超过0.78MPa/℃A时,发动机出现较强烈的敲缸现象。发动机运行范围受到失火和敲缸的限制。二叔丁基过氧化物添加剂的加入由于能在较低的温度下分裂出自由基,同时又能在低温下放出热量,从而加快了连锁反应的速度,故对天然气的着火有明显的改善作用;采用热EGR可推迟着火时刻,降低燃烧速度,有利于克服发动机燃烧敲缸,扩大高负荷运行范围。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 天然气发动机发展历程及前景
• 1.3 天然气作为发动机燃料的主要优点及其主要特性
• 1.4 天然气发动机技术研究现状
• 1.4.1 火花点燃式天然气发动机
• 1.4.2 CNG／柴油双燃料引燃式天然气发动机
• 1.4.3 压燃式天然气发动机
• 1.5 CFD 模拟计算在发动机开发中的应用现状
• 1.5.1 化学动力学机理
• 1.5.2 CFD 多维模拟软件
• 1.5.3 CFD 与化学动力学耦合的数值模拟技术研究现状
• 1.6 课题的研究意义和内容
• 第二章 CFD 计算模型及数值计算方法
• 2.1 湍流流动模型
• 2.1.1 湍流流动的基本控制方程组
• 2.1.2 湍流物理量时均值定义及运算规则
• 2.1.3 湍流 Reynolds 时均方程
• 2.1.4 k-ε湍流模型
• 2.2 化学动力学模型
• 2.2.1 化学动力学基本原理
• 2.2.2 天然气的化学反应动力学过程
• 2.2.3 天然气化学动力学简化模型
• 2.2.4 简化机理有效性的验证
• 2.3 CFD 与化学动力学机理的耦合
• 2.4 数值计算方法
• 2.4.1 有限容积离散方法
• 2.4.2 多变量耦合方程的求解—SIMPLE 解耦方法
• 2.4.3 网格结构
• 2.4.4 初始条件和边界条件
• 2.5 本章小结
• 第三章 发动机燃烧系统设计、试验、模型验证及模拟计算中若干问题的研究
• 3.1 复合供气压缩着火天然气发动机设计
• 3.1.1 燃烧室结构
• 3.1.2 天然气复合供气系统
• 3.1.3 辅助措施
• 3.1.4 计算机控制系统
• 3.2 复合供气天然气发动机试验结果
• 3.2.1 试验台架组成
• 3.2.2 喷气速率的标定
• 3.2.3 复合供气压燃式天然气发动机的实验分析
• 3.3 模型的验证
• 3.3.1 计算网格
• 3.3.2 模型有效性验证
• 3.4 模拟计算中若干问题的研究
• 3.4.1 着火时刻的判断
• 3.4.2 网格对计算的影响
• 3.4.3 计算步长
• 3.5 本章小结
• 第四章 压燃式天然气发动机燃烧过程模拟计算
• 4.1 不同供气模式下着火和燃烧机理分析
• 4.1.1 进气道供气模式下着火和燃烧机理分析
• 4.1.2 缸内供气模式下着火和燃烧机理分析
• 4.1.3 复合供气模式下着火和燃烧机理分析
• 4.2 燃烧室几何形状对气体流动的影响
• 4.2.1 连接通道直径对气流运动的影响
• 4.2.2 连接通道倾度对气流运动的影响
• 4.2.3 通道位置对气流运动的影响
• 4.2.4 连接通道形状对气流运动的影响
• 4.2.5 副燃烧室形状对气流运动的影响
• 4.3 燃烧室几何形状对燃烧特性的影响
• 4.3.1 通道直径对燃烧过程的影响
• 4.3.2 通道倾角对着火和燃烧过程的影响
• 4.3.3 通道位置对着火和燃烧过程的影响
• 4.3.4 通道形状对着火和燃烧的影响
• 4.3.5 副室形状对着火和燃烧的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 扩大压燃式天然气发动机运行范围的研究
• 5.1 改善压燃式天然气发动机起动性及扩展稀燃界限的研究
• 5.1.1 助燃添加剂改善发动机起动性和稀燃界限的试验研究
• 5.1.2 助燃添加剂改善着火性能机理的 CFD 研究
• 5.2 扩大压燃式天然气发动机高负荷运行范围的研究
• 5.2.1 扩大压缩着火天然气发动机高负荷运行范围的CFD 研究
• 5.2.2 扩大复合供气天然气发动机运行范围的试验研究
• 5.3 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 未来工作展望
• 创新点
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 附录
• 致 谢