柴油/天然气双燃料发动机性能模拟研究

【摘要】： 随着能源危机的日益凸显,环境污染问题的加剧,寻找替代能源已成为世界经济发展的关键。而当前广泛使用的内燃机替代燃料天然气具有能量密度较高,排放低,便于贮存和运输等优点,被认为是最有发展前途的发动机清洁燃料。与柴油或汽油作燃料时相比,单一的使用天然气作为燃料时发动机动力性能最大功率下降较多。采用天然气/柴油混合燃料既较好地解决了动力性下降较多的问题,又能实现减少污染和保护环境的目的。 本文针对传统柴油机改造成双燃料发动机时,需要突破关键技术问题开展了研究,主要工作如下: 1)为了解双燃料发动机的燃烧特点,本文采用Geomagic Studio逆向工程应用软件将所扫描的燃烧室点云数据进行曲面重建,建立了燃烧室的三维数字模型。 2)以2135发动机为研究对象,运用FIRE软件,根据发动机的基本结构参数,边界条件,建立了燃烧室的模型,并针对所研究的天然气发动机的燃烧、排放特点,依据所采用模拟计算软件提供的计算模型,为建立整机工作过程模拟计算模型和缸内燃烧三维数值计算模型,选择了相应的子模型。分别采用k-ε湍流模型、以WAVE离散模型为基础的液滴破碎分裂模型、以Shell公式为基础的燃烧模型、扩展的Zeldovich NO_x生成模型等,建立了缸内燃烧三维数值计算模型。 3)通过模拟分析双燃料发动机的压缩、燃烧、膨胀、排放过程,对影响双燃料发动机工作性能的关键参数进行了优化分析,得出了引燃柴油量、天然气当量比、喷孔直径及喷油锥角对燃烧和排放的影响规律,为双燃料发动机的改造设计奠定了良好基础。 【关键词】：发动机 双燃料 天然气 逆向 数值模拟
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TK407.9
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 课题研究背景和意义11-12
• 1.2 天然气发动机的分类12-14
• 1.3 天然气与天然气发动机14-18
• 1.3.1 天然气作为代用燃料的优势14-16
• 1.3.2 天然气发动机发展前景16-18
• 1.4 国内外双燃料发动机的研究现状18-22
• 1.5 本论文主要工作22-23
• 第2章 基于逆向工程技术的燃烧室模型建立23-34
• 2.1 逆向工程的基本工作流程23-24
• 2.2 曲面重建的基本理论24-26
• 2.2.1 拟合的概念24-25
• 2.2.2 曲线和曲面的参数表达25-26
• 2.3 曲面造型26-33
• 2.3.1 Geomagic Studio 逆向工程软件26-27
• 2.3.2 曲面造型的重建27-33
• 2.3.2.1 点处理27-30
• 2.3.2.2 多边形30-32
• 2.3.2.3 形状阶段32-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第3章 三维数值模拟计算模型34-48
• 3.1 发动机参数34
• 3.2 计算网格的划分34-36
• 3.3 计算边界条件和初始条件的设定36-38
• 3.3.1 初始条件36-37
• 3.3.2 燃油喷射参数37-38
• 3.4 计算模型38-47
• 3.4.1 湍流流动模型38-40
• 3.4.1.1 湍流流动的基本控制方程38-39
• 3.4.1.2 k-ε方程39-40
• 3.4.2 喷雾模型40-43
• 3.4.2.1 破碎模型40-42
• 3.4.2.2 碰壁模型42-43
• 3.4.3 燃烧模型43-45
• 3.4.3.1 Shell 自燃模型43
• 3.4.3.2 湍流燃烧模型43-45
• 3.4.4 排放模型45-47
• 3.4.4.1 NO_x 排放模型45-46
• 3.4.4.2 碳烟生成模型46-47
• 3.5 本章小结47-48
• 第4章 双燃料发动机燃烧过程模拟计算及分析48-71
• 4.1 引燃柴油量48-49
• 4.2 天然气当量比对燃烧的影响49-54
• 4.2.1 天然气当量比对发动机性能的影响49-51
• 4.2.1.1 天然气当量比对缸内压力、温度和放热率的影响49-51
• 4.2.1.2 天然气当量比对排放的影响51
• 4.2.2 天然气当量比对相关物理场的影响51-54
• 4.2.2.1 浓度场分布的影响51-53
• 4.2.2.2 温度场分布的影响53-54
• 4.3 喷孔直径对燃烧的影响54-62
• 4.3.1 喷孔直径对发动机性能的影响55-57
• 4.3.1.1 喷孔直径对缸内压力、温度和放热率的影响55-56
• 4.3.1.2 喷孔直径对排放的影响56-57
• 4.3.2 喷孔直径对缸内相关物理场的影响57-62
• 4.3.2.1 喷雾场分布的影响57-58
• 4.3.2.2 速度场分布的影响58-61
• 4.3.2.3 温度场分布的影响61-62
• 4.4 喷油锥角对燃烧的影响62-70
• 4.4.1 喷油锥角对发动机性能的影响63-65
• 4.4.1.1 喷油锥角对缸内压力、温度和放热率的影响63-64
• 4.4.1.2 喷油锥角对排放的影响64-65
• 4.4.2 喷油锥角对缸内相关物理场的影响65-70
• 4.4.2.1 喷雾场分布的影响65-66
• 4.4.2.2 速度场分布的影响66-69
• 4.4.2.3 温度场分布的影响69-70
• 4.5 本章小结70-71
• 结论71-73
• 参考文献73-78
• 致谢78

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