大缸径双火花塞生物质气发动机燃烧特性仿真研究

摘要

面对我国快速发展下对能源需求量不断增加，以及国内日益严重的环境污染，寻求清洁可替代能源迫在眉睫。生物质气是可再生清洁燃料，来源广，主要成分为CO，H2，CO2，CH4，N2等，燃烧产生的污染物少。以生物质气作为发电机组发动机的替代燃料，一方面缓解能源危机，提高传统能源的利用率;另一方面，可以代替国内大量的煤炭发电，减少环境污染。但由于生物质气本身组分比例不稳定，热值低以及大缸径发动机转速低，缸径大，燃烧速度慢等问题，在使用传统单火花塞点火时，会导致发动机点火困难，易失火，发动机缸内燃烧速度慢，效率下降等问题。
　　本文采用双火花塞点火的方式对发动机性能进行优化仿真研究，研究工况为额定工况，转速1000r/min，全负荷，过量空气系数ψa=1.2:
　　(1)为了研究双火花塞同时点火对生物质气发动机整机性能以及缸内燃烧的影响，对原机单火花塞点火的点火提前角进行优化，并计算双火花塞同时点火时发动机的MBT点。
　　原机单火花塞点火的MBT点为22℃A BTDC，指示功率为338.23 kW;双火花塞点火的MBT点为16℃A BTDC，指示功率为356.40kW，比单火花塞点火提高了5.4％。双火花塞同时点火相当于增加点火能量，减小了发动机失火的概率，增加了火焰传播面积，提高了发动机的燃烧放热速率。当两种点火方案以相同的点火提前角进行点火的情况下，双火花塞同时点火发动机的燃烧速率快，发动机的最大燃烧速率增大且提前，发动机的燃烧持续期短，等容度高，效率高;双火花塞同时点火的缸内温度高于单火花塞点火，其NOx的生成量也比单火花塞点火高。不同点火方式对缸内平均湍动能的影响趋势相同，在压缩上止点附近双火花塞同时点火的平均湍动能略高于单火花塞点火，但对整体影响不大。
　　(2)为研究双火花塞异步点火对发动机性能的影响，本文从火花塞点火顺序，不同点火间隔以及相同点火间隔三个方面进行了仿真分析。
　　双火花塞异步点火时，由于发动机缸内湍动能分布不均，两个火花塞点火顺序不同对发动机的性能有一定影响。研究表明，点火顺序对发动机的整机性能影响不大;当周围湍动能比较大的火花塞先点火时，发动机缸内的燃烧速度略快于周围湍动能较小的火花塞先点火。
　　双火花塞异步点火时，随着点火间隔的增加，发动机的指示热效率呈现先增加后减小的趋势，当点火间隔为2℃A时指示热效率达到最大。在两个火花塞均为有效点火的范围内，随着点火间隔的增加，发动机的燃烧速率逐渐降低，燃烧持续期逐渐变长，发动机缸内平均温度降低，NOx的生成量增加，发动机各方面性能的差异逐渐减小。当点火间隔过大，单侧火花塞出现无效点火，相当于将原机火花塞偏置，发动机的有用功大量减少，效率下降。
　　双火花塞异步点火时，相同点火间隔对发动机性能的影响。随着点火提前角的减小，发动机的最大缸压后移，发动机的指示功率先增加后降低，当两个火花塞的点火提前角分别为16℃A BTDC、18℃A BTDC时达到最大，为356.11kW;发动机的燃烧速率随着点火提前角的减小而降低，燃烧持续期增长，缸内平均温度降低，NOx的生成量也减少。
　　由于双火花塞同步点火与双火花塞异步点火最大功率相差不大，而双火花塞异步点火控制策略比同步点火时复杂，且成本高，故可采用双火花塞同时点火对发动机性能进行优化。

目录

声明

摘要

主要符号注释表

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 生物质气发动机概述

1．2．1 生物质气简介

1．2．2 生物质气发动机国内外研究现状

1．3 双火花塞国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本文的研究目的与主要研究内容

1．4．1 本文的研究目的

1．4．2 本文的主要研究内容

第二章 生物质气发动机数值模拟研究平台的建立

2．1 试验平台简介

2．2 生物质气低热值及空燃比的计算

2．2．1 生物质气低热值的计算

2．2．2 生物质气空燃比的计算

2．3 一维数值模拟研究平台的建立及验证

2．3．1 GT-Power一维模拟计算原理

2．3．2 传热模型

2．3．3 缸内燃烧模型

2．3．4 GT-Power模型建立

2．3．5 一维整机性能模型验证

2．4 三维数值模拟研究平台的建立及验证

2．4．1 基本控制方程

2．4．2 湍流模型

2．4．3 燃烧模型

2．4．4 排放模型

2．4．5 AVL-Fire模型建立

2．4．6 Fire三维仿真模型的验证

2．5 本章小结

第三章 双火花塞同时点火对生物质气发动机性能的影响

3．1 双火花塞位置的确定

3．2 MBT点的确定

3．2．1 MBT点的确定方法

3．2．2 单火花塞点火时点火提前角的优化

3．2．3 双火花塞同时点火时MBT点的确定

3．3 不同点火方式在MBT点对整机性能影响

3．4 不同点火方式对发动机缸内湍动能的影响

3．5 不同点火方式对发动机燃烧的影响

3．6 不同点火方式对发动机缸内温度以及NOx生成的影响

3．7 本章小结

第四章 双火花塞异步点火对生物质气发动机性能的影响

4．1 A，B火花塞点火顺序对发动机性能影响

4．1．1 点火顺序对发动机整机性能的影响

4．1．2 点火顺序对发动机缸内燃烧的影响

4．1．3 点火顺序对缸内温度以及NOx生成的影响

4．2 不同点火间隔对发动机性能的影响

4．2．1 不同点火间隔对发动机整机性能的影响

4．2．2 不同点火间隔对发动机燃烧的影响

4．2．3 不同点火间隔对发动机缸内温度以及NOx生成的影响

4．3 相同点火间隔对发动机性能的的影响

4．3．1 相同点火间隔对发动机整机性能的影响

4．3．2 相同点火间隔对发动机燃烧的影响

4．3．3 相同点火间隔对发动机缸内温度以及NOx生成的影响

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论文和取得的学术成果