柴油引燃缸内直喷天然气发动机爆震燃烧过程的仿真研究

【摘要】：在柴油引燃缸内直喷天然气发动机中，天然气是主要燃料，提供90%多的能量。该种发动机既可以减少对石油燃料的消耗，与柴油机相比，污染物和温室气体的排放也大大减少，同时热效率与柴油机相当。在柴油引燃缸内直喷天然气发动机中，接近压缩上止点时，气缸中喷入少量柴油，柴油被压燃，燃烧产生的高温产物或高温区域将在柴油之后直接喷入气缸的天然气引燃；与柴油机中燃烧方式相似，该发动机缸内燃烧过程包括预混合燃烧阶段和扩散燃烧阶段。但在一些工况下，柴油与天然气的喷射参数不恰当时，预混合燃烧阶段反应会非常迅速，缸内会发生强烈的爆震，产生很大燃烧噪声，甚至损害发动机。 本文应用三维流体仿真软件CONVERGE模拟了某型号柴油引燃缸内直喷天然气发动机的爆震燃烧过程，并用专业的后处理软件Fieldview处理模拟结果。提取了燃烧室中8个代表位置的局部压力变化，用局部压力最大波动幅度平均值定义的爆震指标衡量爆震强度。本文研究了该发动机的爆震燃烧过程特点，及天然气喷射时刻、引燃柴油量和缸内初始温度对该发动机爆震的影响。研究结果如下： 1、不同于在汽油机中由于末端混合气自燃引起的缸内压力波动而发生的爆震现象，在柴油引燃缸内直喷天然气发动机中，预混合燃烧阶段过快的燃烧速率引起的爆震。爆震主要发生在燃烧初始阶段，爆震时缸内有明显的压力波动，且缸内不同位置处压力波动幅度大小不同，且靠近缸壁处波动幅度较大。 2、柴油的喷射量与喷射时刻不变，改变天然气的喷射时刻，两种燃料的起始喷射时间间隔角度分别为3°CA、5°CA、8°CA，三种条件下的爆震指标分别为0.77MPa、0.16MPa、0.36MPa。爆震强度并不随着喷射时间间隔越短就越强。 3、天然气的喷射时刻与喷射量固定不变，引燃柴油的喷射时刻不变，改变引燃柴油量，柴油占燃料总能量的比例分别为2.9%、5.6%、8.2%，三种情况下爆震指标分别为0.30MPa、0.53MPa、1.31MPa。爆震强度随着引燃柴油量的增加增强。 4、引燃柴油与天然气的喷射参数都不变，只改变缸内初始温度，初始温度分别为330K、340K、350K，三种工况下爆震指标值分别为0.30MPa、0.77MPa、0.86MPa。爆震强度随着初始温度的升高增强。 5、不同于柴油机中滞燃期越长，预混合燃烧阶段放热速率会更快，工作越粗暴的现象，在柴油引燃缸内直喷天然气发动机中，爆震强度与滞燃期长度并不成正比例的关系，即预混合燃烧阶段可燃气体量与滞燃期的长短无确定关系。 【关键词】：柴油引燃 直喷 天然气 爆震 仿真
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK421.2
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 研究背景与意义10-15
• 1.1.1 研究背景10-14
• 1.1.2 研究意义14-15
• 1.2 国内外研究现状15-17
• 1.3 本文主要研究内容17-18
• 第2章 柴油引燃缸内直喷天然气发动机爆震模型建立18-30
• 2.1 基本控制方程19-20
• 2.2 CFD 数学模型的建立20-26
• 2.2.1 湍流模型20-21
• 2.2.2 喷雾模型21-23
• 2.2.3 爆震燃烧模型23-26
• 2.3 CFD 网格模型的建立26-27
• 2.4 模型验证27-29
• 2.4.1 计算边界条件27-28
• 2.4.2 模型准确性验证28-29
• 2.5 本章小结29-30
• 第3章 柴油引燃缸内直喷天然气发动机爆震主要特征仿真分析30-40
• 3.1 爆震燃烧宏观特征分析30-32
• 3.2 爆震燃烧微观参数场分析32-38
• 3.3 本章小结38-40
• 第4章 柴油引燃缸内直喷天然气发动机爆震规律仿真分析40-62
• 4.1 天然气喷射时刻对爆震燃烧的影响40-47
• 4.1.1 天然气喷射时刻对爆震燃烧特性的影响40-43
• 4.1.2 天然气喷射时刻对爆震燃烧过程的影响43-47
• 4.2 引燃柴油量对爆震燃烧的影响47-53
• 4.2.1 引燃柴油量对爆震燃烧特性的影响48-50
• 4.2.2 引燃柴油量对爆震燃烧过程的影响50-53
• 4.3 初始温度对天然气爆震燃烧的影响53-59
• 4.3.1 初始温度对爆震燃烧特性的影响54-56
• 4.3.2 初始温度对爆震燃烧过程的影响56-59
• 4.4 本章小结59-62
• 第5章 全文总结及工作展望62-66
• 5.1 全文总结62-63
• 5.2 工作展望63-66
• 参考文献66-74
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果74-76
• 致谢76

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