米勒循环天然气发动机工作过程仿真与优化研究

【摘要】：随着世界汽车产业的迅速发展，汽车排放和环境问题得到广泛关注，开发新能源汽车已是迫在眉睫的大事。虽然天然气燃烧清洁，但是天然气发动机存在燃烧爆震、热效率低等问题，迫切需要研究更加高效的天然气发动机。针对目前国内重型稀燃天然气发动机的研究现状，本文提出了Miller循环方式的天然气发动机技术，不仅可以在抑制爆震的前提下提高发动机的压缩比，提高了发动机的热效率，而且大大地降低了NOx排放，可以满足日益严格的排放法规。本文采用模拟仿真技术对Miller循环天然气发动机的工作过程进行了研究。 利用一维仿真研究了几何压缩比、进气门晚关角及膨胀比对发动机性能的影响规律，通过仿真发现：随着几何压缩比的增大，发动机扭矩增加，燃气消耗率降低，但发动机爆震倾向增加，并且几何压缩比越大，进气晚关角越小时，发动机的扭矩越大；随着进气门晚关角的增大，发动机扭矩下降，燃气消耗率增加，但缸内最高温度和压力随着进气门晚关角的增大而降低，能有效抑制爆震的发生；随着膨胀比的增大，发动机热效率升高，燃气消耗率降低，但在保证有效压缩比与原机相同时，发动机膨胀比越大，进气晚关角度就越大，使得进气回流量越多，充气效率降低，发动机扭矩下降。通过改善增压系统提高进气压力，弥补进气量的减少，保证了较高的发动机动力性及经济性。在增大膨胀比的同时采用进气门晚关的方式实现Miller循环，研究发现，当几何压缩比为13.5，进气晚关角为19°CA时，发动机热效率比原机提高了2.6%。 为了从微观上深入研究各参数对天然气发动机工作过程影响的机理，本文利用AVL FIRE建立了燃烧仿真平台，研究了进气晚关角、点火时刻对发动机缸内的速度场、湍动能、浓度场、温度场及NOx生成量的影响规律，研究发现： 在进气阶段缸内有明显滚流区，缸内涡流速度远大于滚流速度，并且缸内流体流速和湍动能都很高。压缩过程中，缸内涡流和滚流强度逐渐减小，缸内涡流呈刚性涡分布；在点火时刻时，火花塞附近的涡流和滚流强度较低，有利于形成稳定的火焰核心。缸内呈现由下向上混合气浓度由浓变稀的逆分层分布，即火花塞附近的混合气浓度较小，而燃烧室底部混合气较浓。燃烧过程中，火焰在缸内气流的作用下向火花塞对侧的进气门处传播的更快，火花塞始终处于高温区，火焰前锋面处产生的NOx比较多。 随着进气晚关角的增大，缸内最高燃烧压力降低，发动机做功能力降低，缸内放热率降低，温度降低，降低了爆震倾向的发生，大大抑制了NOx的生成，NOx生成量减少达50%以上。进气晚关角对进气初期缸内流场分布影响不大，但在进气后期和压缩冲程，随着进气晚关角的增大，缸内涡流速度增加，并且在点火时刻时，缸内涡流比和滚流比随着晚关角的增大而增大，有利于火焰的传播；随着进气晚关角的增大，气缸壁和燃烧室底部有较多的未燃混合气，不利于HC的排放。 本文研究了点火时刻对缸内混合气燃烧过程的影响，随着点火时刻的推迟，燃烧始点推迟，燃烧持续期变长，缸内最高燃烧压力降低，缸内放热率降低。随着点火时刻的提前，缸内最高燃烧压力变大且出现最大峰值的曲轴转角前移，缸内温度升高，增加了压缩负功和热损失，爆震倾向增加，可能引起发动机爆震，但合理的控制点火时刻可以弥补进气门晚关带来的功率上的下降。 随着点火时刻的推迟，NOx的排放量大大降低，降低幅度达85%，虽然推迟点火时刻能够降低缸内燃烧温度，但是燃烧持续期的增加，后燃比较严重，发动机排温较高。随着点火时刻的推迟，缸内混合气燃烧不充分，气缸壁和燃烧室底有较多的未燃混合气，HC排放增加。因此，要把点火时刻控制在合理的范围内，既要保证发动机动力性和热效率，又要使得发动机的排放较低。应用Miller循环技术需要联合标定发动机的各项参数，尽可能发挥Miller循环的潜力。 【关键词】：天然气发动机 Miller循环 进气门晚关角 膨胀比 点火时刻
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK431
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 引言11-12
• 1.2 天然气发动机的发展历程12-18
• 1.2.1 燃烧技术的发展13-16
• 1.2.2 Miller 循环16-18
• 1.3 Miller 循环天然气发动机发展现状18-19
• 1.3.1 国外现状18-19
• 1.3.2 国内现状19
• 1.4 课题主要研究工作与意义19-21
• 第2章 Miller 循环天然气发动机一维仿真研究21-35
• 2.1 GT-Power 模型建立与验证21-24
• 2.2 Miller 循环计算研究24-33
• 2.2.1 发动机压缩比与进气门晚关角的研究25-29
• 2.2.2 发动机膨胀比的优化研究29-32
• 2.2.3 进气压力对 Miller 循环的影响32-33
• 2.3 本章小结33-35
• 第3章 天然气发动机模拟平台建立及燃烧模拟分析35-53
• 3.1 几何模型的建立35-36
• 3.2 计算网格的建立36-37
• 3.3 模型及算法选择37-39
• 3.3.1 湍流模型37-38
• 3.3.2 燃烧模型38
• 3.3.3 排放模型38
• 3.3.4 计算方法38-39
• 3.4 计算初始边界条件39
• 3.5 计算结果分析39-51
• 3.5.1 模型的有效性验证39-41
• 3.5.2 缸内参数分析41-51
• 3.5.2.1 缸内速度场演变过程41-44
• 3.5.2.2 缸内湍流动能演变过程44-47
• 3.5.2.3 缸内混合气浓度场演变过程47-49
• 3.5.2.4 缸内温度场的演变过程49-50
• 3.5.2.5 缸内 NOx 排放分布规律50-51
• 3.6 本章小结51-53
• 第4章 进气晚关角及点火时刻对缸内流动燃烧过程影响的数值模拟53-77
• 4.1 进气晚关角对缸内混合气形成及燃烧的影响53-66
• 4.1.1 模拟计算结果分析53-55
• 4.1.2 缸内参数分析55-66
• 4.1.2.1 缸内混合气速度场变化规律55-57
• 4.1.2.2 缸内混合气湍动能变化规律57-60
• 4.1.2.3 缸内混合气浓度场变化规律60-62
• 4.1.2.4 缸内混合气温度场的变化规律62-63
• 4.1.2.5 缸内爆震倾向的变化规律63-65
• 4.1.2.6 缸内 NOx 生成量的变化规律65-66
• 4.2 点火时刻对缸内混合气形成及燃烧的影响66-74
• 4.2.1 模拟计算结果分析66-68
• 4.2.2 缸内参数分析68-74
• 4.2.2.1 不同点火时刻缸内混合气浓度场的变化规律68-69
• 4.2.2.2 不同点火时刻缸内混合气温度场的变化规律69-71
• 4.2.2.3 不同点火时刻缸内爆震倾向的变化规律71-72
• 4.2.2.4 不同点火时刻缸内 NOx 量的变化规律72-74
• 4.3 本章小结74-77
• 第5章 全文总结及工作展望77-81
• 5.1 全文总结77-79
• 5.2 工作展望79-81
• 参考文献81-85
• 作者简介及科研成果85-86
• 致谢86

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

直喷式柴油机缸内涡流、挤流和湍流的数值研究    解茂昭

CNG发动机工作过程的三维数值模拟    吕林,温苗苗

燃烧室几何形状对缸内气体流动和发动机性能的影响    王锡斌,马志豪,蒋德明

电控喷射稀燃天然气发动机的关键技术研究    窦慧莉

内燃机缸内流场数值模拟研究现状及发展    沈建平

燃烧室形状对缸内气流运动影响的数值模拟    何旭,高希彦,刘卫国,马维忍,廖春明

燃烧室型线对燃烧过程影响的计算分析研究    王新权,任自中,甘海燕,王锋

AIP系统丝网填料旋转床压降特性研究    汪宏伟,贺国

某四缸柴油机冷却水流动的试验研究    李佑长;吕林;戴湘利;陈俊红;高孝洪;

影响直喷式柴油机挤流特征的几个因素    乔信起,陈石,宋永臣,高希彦,陈家骅,黄震

甲醇汽油燃烧特性模拟分析研究    林开云,黄海波,曾东建

电控喷射稀燃天然气发动机的关键技术研究    窦慧莉

提高车用柴油机性能的试验研究    胡健斌

基于KIVA-3V的柴油机缸内流动和燃烧过程的数值仿真研究    章炜

供油提前角对车用柴油机影响的试验及模拟研究    金华玉

小型风冷直喷柴油机燃烧室和进气系统的匹配研究    蔡继业

轿车发动机缸内流动的三维瞬态数值研究    张志荣

短环形燃烧室内三维两相燃烧流动研究    邹葆华

发动机气门三维动态仿真分析系统的研究    李厚佳

柴油机冷却系统及工作过程的多维流动数值模拟    吕继组

燃烧室形状和喷气时刻对CNG发动机燃烧影响的研究    李浩荡

天然气发动机燃烧过程的多维数值模拟研究    孟金喆

柴油机中冷器内热力过程模拟计算    刘云岗,李国祥,王桂华,陆家祥

CFD技术在内燃机设计中的应用    索文超;韩树;张晶;

天然气发动机空燃比的计算机模拟优化研究    栾延龙,杜子学,文孝霞

柴油—天然气发动机电控气体燃料喷射技术的研究    李国岫

柴油机喷雾特性的测试方法    高剑,蒋德明

GDI发动机及其稀燃优化技术    陆展华

均质压燃(HCCI)发动机数学模拟:进展与挑战    解茂昭

天然气发动机点火正时系统的开发与应用    冉振亚,田龙,曹文明,杨超

非定常强压缩性湍流流动的数值模拟    解茂昭

基于高次多项式的高速汽油机顶置凸轮特性    蒋炎坤;刘志恩;

吸附还原净化准均质稀燃汽油机氮氧化物排放实验研究    李志军

电控喷射稀燃天然气发动机的关键技术研究    窦慧莉

边界条件对柴油机瞬态工况下燃烧的影响及数值模拟    王忠恕

压燃式天然气发动机燃烧过程模拟计算和试验研究    郑清平

低散热压缩着火天然气发动机燃烧过程的试验研究    张德福

CNG发动机工作过程数值模拟    温苗苗

柴油机喷雾混合过程的模拟研究    王晓艳

燃烧室形状和喷气时刻对CNG发动机燃烧影响的研究    李浩荡

压缩着火天然气发动机燃烧过程的研究    邓玉龙

CA4102天然气发动机仿真优化设计    韩小强

CA4102天然气发动机燃烧过程的仿真研究    李昕

美国能源部拨款用于天然气发动机研究开发    程永陆

天然气发动机多点顺序喷射技术的开发研究    刘兴华,陈永义,李铁栓

适用于天然气发动机的高能点火系统    刘建华,李莉

压燃式天然气发动机的技术现状及展望    郑清平,张惠明,张德福

1190NT天然气发动机的结构特点和性能试验    赵纪君

2105型天然气发动机用汽化-混合器的模拟试验    胡九章

戴姆勒-克莱斯勒M906LAG天然气发动机介绍    阿炜

YH465Q-1E改为天然气发动机的电控系统的研制    吴本成;孙仁云;陈林林;

天然气发动机进排气门的研制    冯仁贵，李清观，姚正刚

对装有EGR的天然气发动机的试验研究    马艳明,许忠厚,马凡华,吕剑飞

电控技术在天然气发动机上的应用    滕勤;左承基;

钻井平台用天然气发动机的设计开发    孙成香;李全武;郑圣彬;孙乐美;李治朋;

天然气发动机技术研究与应用    程鹏;

NQ140N单-CNG发动机的开发与试验    李克新;

不同类型的天然气发动机燃烧和排放特点    苌转;周斌;邵晓杰;于超;

NQ140N天然气发动机的开发    陈万应;张浩;邓杰;杨志勇;李克新;程辉;

天然气发动机复合空调系统    秦朝葵;刘雄;全惠君;谭建新;

应用模糊物元理论建立天然气发动机性能状态评价模型    柳楠;崔厚玺;丛蕾;

恢复天然气(CNG)发动机动力性能的分析研究    赵作志;

恢复天然气(CNG)发动机动力性能的分析研究    赵作志;

重汽集团研发天然气发动机    本报记者 郑义

天然气发动机首次进入863计划    记者 王建梁

天然气发动机成新竞争点    关尚宇

钻井用天然气发动机获突破    任继凯　傅伟

济柴研制钻井用天然气发动机填补国内空白    记者 任继凯　通讯员 傅伟

现代重工研发成功天然气发动机    广言

锡柴天然气发动机再展“低碳”魅力    通讯员 陈燕　记者 严峻

我国功率最大天然气发动机在锡柴成功点火    记者 过国忠　通讯员 许武英

大功率天然气发动机达国际水平    柯吉

大功率天然气发动机成功点火    过国忠 许武英

稀燃天然气发动机燃烧过程研究和燃烧系统开发    焦运景

稀燃天然气发动机燃烧循环变动特性及动力学特征研究    姚宝峰

满足国Ⅳ排放标准压缩天然气发动机燃烧过程的研究    司鹏鹍

压燃式天然气发动机燃烧过程模拟计算和试验研究    郑清平

低散热压缩着火天然气发动机燃烧过程的试验研究    张德福

电控喷射稀燃天然气发动机的关键技术研究    窦慧莉

4SH-N天然气发动机工作过程优化及排放控制    杨立平

混合动力汽车汽油机起动工况瞬态燃烧和排放特性研究    于水

一种大功率气体燃料发动机电控喷射装置的研究    葛文庆

电控汽油/CNG两用燃料发动机故障模拟试验及诊断研究    袁华智

天然气发动机压缩比、点火时刻及配气相位优化研究    吴岳伟

轿车用单一燃料电控喷射天然气发动机性能的实验与计算研究    郭云杰

米勒循环天然气发动机工作过程仿真与优化研究    杨成

天然气发动机电控单元原型的研制    刘诚诚

点火时刻和喷气时刻对天然气发动机性能的影响    王东芹

废气再循环和过量空气系数对天然气发动机性能的影响    余小草

天然气发动机电控喷射系统的研究    范龙飞

公交车用天然气发动机国产化的层次分析法研究与规模化应用    窦宝华

脉冲多次缸内直喷天然气发动机控制策略及试验研究    刘娜

大马力天然气发动机工作过程数值模拟及分析    李春节