双火花塞对低排放天然气发动机燃烧影响仿真研究

【摘要】：随着传统能源危机日益加剧,天然气燃料作为车用的替代燃料有着诸多优势,其市场应用前景广阔。压缩天然气发动机在当量比为1的燃烧模式可以用转化效率高、成本低的三元崔效转化器进行废气后处理,从而满足严苛的排放法规。此种燃烧模式的问题是在大负荷下发动机的热负荷高、爆震倾向加剧,同时CNG(Compress Nature Gas)燃料的火焰传播速度低,使得发动机效率降低。因此,本文基于在当量比为1、通入大EGR率进行降低大负荷下发动机的热负荷、使用双火花塞点火技术实现缸内工质快速燃烧的技术路线。首先借助GT-POWER软件建立了发动机一维仿真平台,研究不同EGR率对发动机性能的影响规律,并得出在低高负荷下能够达到的最大EGR率,然后利用AVL-FIRE三维仿真软件对大负荷下所能达到的最大EGR率联合双火花塞点火技术的燃烧过程进行了客观研究,得出了不同点火策略及点火能量对发动机性能的影响规律。本文先是基于GT-POWER软件建立的一维仿真平台在25%和75%负荷、当量比为1、转速=2840r/min条件下,研究了不同的EGR率对CNG发动机性能的影响规律。结果表明:随着EGR率的增加,在低、高负荷时会使得缸内燃烧峰值压力降低、放热率曲线后移;中冷EGR需要达到一定量才能起到降低机内温度的作用,在低负荷所研究的最大EGR率(15%)并不能够起到降低热负荷的作用,在高负荷EGR率达到17%时温度开始下降,在超过20%时温度可以控制在700℃以内;CNG燃料于当量比燃烧状态下,高负荷(75%负荷)通入EGR时可以降低CO的生成量,而在低负荷(25%负荷)时有大量CO生成,均可以很好的抑制NOx的生成量,HC生成量增加;仿真结果为实验的进行提供了客观的研究规律,随着EGR率的增加,CNG发动机的经济性变差,有一定的开发空间(可用双火花塞的快速燃烧技术进行开发),综合上述分析,在低负荷时不适合通入EGR。基于一维平台的仿真结果和规律,借助AVL-FIRE三维仿真软件进行了在25%EGR率、75%负荷、当量比为1时单双火花塞不同点火策略及其最优点火提前角、点火能量对CNG发动机燃烧过程及性能的定性及定量分析。结果表明:双火花塞点火可以缩短火焰传播距离,有效地提高火焰的传播速度。在大EGR率(25%)下,合理的点火正时可以更好的将单、双火花塞点火策略对CNG发动机的性能发挥到最佳,单火花塞点火的最佳点火正时为655°CA(上止点前65°CA)附近,双火花塞同步点火为665°CA(上止点前55°CA),双火花塞异步点火为665-660°CA(上止点前55-60°CA);在最佳点火性能下,双火花塞点火的燃烧持续期比单火花塞缩短了20°CA左右;双火花塞点火策略的热负荷高于单火花塞点火策略;点火正时对不同点火策略的影响程度为:单火花塞的影响最大,双火花塞同步点火次之,对双火花塞异步点火影响最小。双火花塞点火相比于单火花塞点火的指示功率提高2KW,指示燃油消耗率提高8%左右,明显改善了CNG发动机性能及燃烧质量;通过对双火花塞同步于665°CA点火,初始点火能量为35m J、45 m J、55 m J、65 m J对CNG发动机性能的影响分析,对比研究不同初始点火能量同步点火所产生的火核半径、缸压、放热率、平均温度、NO生成量及燃烧特性参数及指示性能指标,在保证能够正常点火的情况下,初始点火能量对通入大EGR率的当量比(λ=1)工质燃烧过程的影响不大。 【关键词】：CNG发动机 双火花塞 EGR 经济性 点火正时优化 数值计算
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK401
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-22
• 引言12
• 1.1 车用天然气燃料市场现状12-13
• 1.1.1 车用天然气燃料的国际形势及应用特点12-13
• 1.1.2 国内车用天然气燃料的应用现状13
• 1.2 车用天然气燃料理化性质13-14
• 1.3 天然气发动机的技术路线现状14-17
• 1.3.1 天然气发动机技术的发展14-15
• 1.3.2 天然气发动机当量比燃烧和稀薄燃烧比较15-16
• 1.3.3 天然气废气再循环技术研究现状16-17
• 1.4 双火花塞技术应用研究现状17-18
• 1.5 本文研究的方法与内容18-20
• 1.5.1 研究方法18-19
• 1.5.2 研究内容19-20
• 1.5.3 研究意义20
• 1.6 本章小结20-22
• 第二章 不同EGR率对天然气发动机性能影响的一维仿真研究22-42
• 2.1 GT-POWER的相关方程、特性简介22-25
• 2.1.1 流体动力学方程22-24
• 2.1.2 流体特性在燃烧系统的应用24-25
• 2.2 GT-POWER分区原理及模型介绍25-28
• 2.2.1 二区燃烧及表观放热率方法25-26
• 2.2.2 GT-POWER燃烧模型26-27
• 2.2.3 预测燃烧模型 – 火花塞点火湍流火焰模型27
• 2.2.4 非预测燃烧模型 – 火花塞点火韦伯模型27-28
• 2.3 天然气发动机一维模型参数设置28-33
• 2.4 工况的选择及模型的检验33-35
• 2.4.1 工况的选择33-34
• 2.4.2 一维模型建立及校验34-35
• 2.5 不同EGR率对当量比燃烧规律的仿真研究35-40
• 2.5.1 25%负荷燃烧的缸压、放热率仿真分析35-36
• 2.5.2 75%负荷燃烧的缸压、放热率仿真分析36-37
• 2.5.3 不同EGR率对排放性、热负荷、经济性的仿真与实验研究37-40
• 2.6 本章小结40-42
• 第三章 双火花塞位置及性能三维仿真研究42-62
• 3.1 AVL-FIRE软件模型选择设置42-47
• 3.1.1 AVL-FIRE燃烧模型42-43
• 3.1.2 点火模型43-44
• 3.1.3 火花模型原理44-45
• 3.1.4 排放模型45-47
• 3.1.5 湍流模型47
• 3.2 数值求解47-48
• 3.3 几何建模及网格划分48-50
• 3.3.1 几何模型的建立48
• 3.3.2 网格划分48-49
• 3.3.3 计算初始条件及边界条件49-50
• 3.4 模型验证及研究路线50
• 3.5 双火花塞位置的优化50-55
• 3.5.1 双火花塞不同位置型线分析51-52
• 3.5.2 双火花塞点火不同位置切片分析52-55
• 3.6 单、双火花塞点火性能比较55-60
• 3.7 本章小结60-62
• 第四章 双火花塞联合EGR技术三维仿真研究62-82
• 4.1 不同点火策略在大EGR率下的最佳点火正时仿真研究62-71
• 4.1.1 单火花塞点火策略在大EGR率下点火正时优化62-65
• 4.1.2 双火花塞同步点火策略在大EGR率下点火正时优化65-68
• 4.1.3 双火花塞异步点火策略在大EGR率下点火正时优化68-71
• 4.2 不同点火策略最佳点火正时性能对比分析71-77
• 4.2.1 不同点火策略在最佳点火正时型线及参数指标分析71-73
• 4.2.2 不同点火策略在最佳点火正时的三维场强分析73-77
• 4.3 最佳点火正时下不同点火策略点火能量研究77-79
• 4.4 本章小结79-82
• 第五章 全文总结及工作展望82-84
• 5.1 全文总结82-83
• 5.2 工作展望83-84
• 参考文献84-90
• 作者简介及科研成果90-91
• 致谢91

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