柴油引燃缸内直喷天然气发动机燃料喷射对燃烧过程的影响研究

摘要

柴油引燃缸内直喷技术作为当前最新的天然气发动机技术，除了具有传统天然气发动机技术的优点之外，还可以弥补其动力性不足和充量系数下降等问题，成为当前研究的重点领域。对于柴油引燃缸内直喷天然气发动机，引燃柴油和天然气的喷射过程对发动机的燃烧过程和排放具有重要的影响。而目前国内外在引燃柴油和天然气喷射对缸内混合气的形成和燃烧过程方面的研究还比较少。因此本文通过仿真的方法研究了引燃柴油和天然气的喷射对缸内混合气的形成和燃烧过程，以及NO的排放性所产生的影响，为以后产品开发奠定一定的基础。
　　在发动机工作过程中，混合气的浓度、引燃柴油所占比例，引燃柴油和天然气的喷射时刻、喷射持续期，喷孔的位置、喷孔直径的大小、以及喷孔之间的夹角都会对混合气形成和燃烧产生重要影响。为深入研究柴油引燃缸内直喷天然气发动机燃料喷射对混合气形成和燃烧过程的影响规律，本文通过FIRE软件建立了柴油引燃天然气发动机仿真系统，在发动机转速为2100r/min，全负荷工况，过量空气系数为1.7，柴油和天然气喷射间隔为5°CA，引燃柴油量比例为5％的情况下，对引燃柴油的喷射持续期和喷孔直径、天然气喷孔夹角和喷射持续期四个因素进行仿真研究，对混合气形成过程中的缸内浓度分布、缸内流场分布，燃烧过程中的缸内温度和压力、放热特性，以及NO的生成进行了深入分析。
　　研究结果表明，在保持引燃柴油喷射量一定的情况下，随着引燃柴油喷射持续期的延长，喷射速度从引燃柴油喷射持续期为0.5°CA的274m/s下降到喷射持续期为2°CA时的65m/s。缸内温度和压力的峰值下降的最大值分别为2.6％、7.5％;随着引燃柴油喷孔直径的变大，燃料喷射速度从喷孔直径为0.15mm情况下的234m/s，下降到喷孔直径为0.25mm时的90.5m/s，缸内温度和压力的峰值下降的最大值分别是2.8％、6.9％，而NO的浓度随着引燃柴油喷孔直径的增大逐渐降低;天然气喷孔夹角为130°时，缸内燃烧的温度和压力峰值最高，其他夹角下缸内温度和压力峰值下降的最大值为8.6％、8.2％，燃烧持续期从天然气喷孔夹角为130°下的45°CA延长到150°CA下的103°CA，最大延长了58°CA。在130°时缸内NO的生成量最高，随着喷孔夹角的变化，生成量降低;随着天然气喷射持续期延长，燃料喷射速度从4°CA时的最大值318m/下降到持续期为10°CA时的288.7m/s，相比于持续期为4°时，缸内温度和压力峰值、燃烧放热率峰值下降的最大值分别是5.5％、13.8％、35.3％，温度峰值出现的时刻最大滞后期为4°CA。随着天然气喷射持续期的延长，NO生成量总量逐渐降低。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．1．1 我国能源使用现状

1．1．2 我国汽车排放法规

1．2 天然气理化特性

1．3 天然气发动机分类

1．3．1 按照燃料的存储方式分类

1．3．2 按照使用燃料分类

1．3．3 按照供气方式分类

1．4 缸内直喷天然气发动机国内外研究现状

1．4．1 国外研究现状

1．4．2 国内发展现状

1．5 选题意义和研究内容

1．5．1 选题意义

1．5．2 研究内容

第二章 柴油引燃缸内直喷天然气发动机仿真系统的建立

2．1 仿真基本原理和数学模型介绍

2．1．1 基本守恒定律

2．1．2 三维仿真计算模型

2．2 柴油引燃缸内直喷天然气发动机模型建立

2．2．1 发动机基本参数

2．2．2 几何模型及网格的建立

2．3 相关计算模块的设置

2．3．1 计算步长设置

2．3．2 初始条件的设置

2．3．3 喷射模块的设置

2．4 柴油引燃缸内直喷天然气发动机仿真系统验证

2．5 本章小结

第三章 引燃柴油喷射对混合气形成和燃烧过程的影响

3．1 引燃柴油喷射持续期对缸内混合气形成和燃烧过程的影响

3．1．1 引燃柴油喷射持续期对浓度分布的影响

3．1．2 引燃柴油喷射持续期对缸内流场分布的影响

3．1．2 引燃柴油喷射持续期对燃烧特性的影响

3．2 引燃柴油喷孔直径对缸内混合气形成和燃烧过程的影响

3．2．1 引燃柴油喷孔直径对浓度分布的影响

3．2．2 引燃柴油喷孔直径对流场分布的影响

3．2．3 引燃柴油喷孔直径对缸内燃烧温度和压力的影响

3．2．4 引燃柴油喷孔直径对燃烧放热特性的影响

3．2．5 引燃柴油喷孔直径对NO生成的影响

3．3 本章小结

第四章 天然气喷射对混合气形成和燃烧过程的影响

4．1 天然气喷孔夹角对缸内混合和燃烧的影响

4．1．1 不同喷孔夹角对缸内流场分布的影响

4．1．2 天然气不同喷孔夹角对天然气浓度分布的影响

4．1．3 不同喷孔夹角对缸内燃烧温度和压力的影响

4．1．4 不同喷孔夹角对缸内温度场的影响

4．1．5 不同喷孔夹角对燃烧特性的影响

4．1．6 不同喷孔夹角对NO排放的影响

4．2 天然气喷射持续期对缸内混合气形成和燃烧过程的影响

4．2．1 天然气喷射持续期对缸内天然气浓度分布的影响

4．2．2 天然气喷射持续期对缸内流场分布的影响

4．2．3 天然气喷射持续期对缸内燃烧温度和压力的影响

4．2．4 天然气喷射持续期对缸内温度场的影响

4．2．5 天然气喷射持续期对缸内燃烧放热特性的影响

4．2．6 天然气喷射持续期对缸内NO排放物的影响

4．3 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

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