基于内部EGR的HCNG发动机燃烧特性仿真研究

摘要

随着汽车工业的快速发展，能源危机和汽车污染问题日益突显，天然气掺氢(HCNG)是一种能够有效缓解这些问题的理想代用燃料之一。同时，废气再循环(EGR)作为一种降低NOx排放的有效途径之一，可有效降低HCNG发动机的NOx排放。通过负阀重叠(NVO)可以形成内部EGR，这种内部EGR比传统的外部EGR具有更好的稀释混合气的作用。
　　本文建立了HCNG发动机一维整机模型和缸内三维仿真模型。通过发动机仿真模拟，分析了对称NVO与非对称NVO对缸内EGR及换气过程的影响。重点研究了对称NVO策略下，进气和压缩过程的缸内流场特征以及缸内燃烧过程的燃烧特性、着火燃烧特征、缸内温度场变化规律以及NO生成特性。仿真结果表明:对称NVO增加，EGR率增大，充量系数减小，随对称NVO从20℃A增加到100℃A，EGR率从8.6％增大到20.6％，充量系数从0.662减小到0.512。非对称NVO策略下，缸内EGR率和充量系数主要受EVC变化的影响，IVO单独变化对EGR率和充量系数的影响较小。通过负阀重叠实现内部EGR时，对称NVO可以在避免进气过程废气回流进气道的前提下，获得相对更高的充量系数及发动机输出功率。对称NVO策略下，进气初期缸内气流速度较高，并在缸内形成旋涡，进气门最大升程过后缸内流动逐渐减缓。进气门关闭时刻缸内EGR浓度呈梯度分布，在气缸中心及底部EGR浓度较大，到压缩冲程后期，在靠近火花塞一侧缸内温度和EGR浓度更低，而HCNG燃料的浓度更高，也更有利于着火及火焰传播。采用NVO策略可以降低缸内最大压力升高率、最大爆发压力及最高温度，但会导致发动机动力性下降。火焰传播过程中，缸内气体流动会使得火焰向进气门一侧倾斜;缸内EGR率增加会导致着火困难，燃烧速度减慢，提高点火能量可以缩短着火落后期和燃烧持续期，加快燃烧速度。NVO策略下缸内NO浓度分布与缸内温度分布一致，并且EGR率越大，缸内温度越低，NO生成越少。基于发动机一维仿真平台，对NVO分别为20，40，60，80，100℃A的5组对称NVO方案进行仿真计算及分析，确定了NVO=40℃A的配气方案为折中的NVO方案;模拟预测出了NVO=40℃A时HCNG发动机的工作范围，并通过优化进气压力恢复了发动机采用NVO策略后损失的动力性及经济性。

目录

声明

摘要

主要符号对照表

第一章 绪论

1．1 课题背景和意义

1．1．1 汽车的发展与所面临的能源环保问题

1．1．2 国内外汽车排放法规

1．1．3 天然气掺氢燃料的特点

1．2 HCNG发动机国内外研究进展

1．3 内部EGR的国内外研究进展

1．4 本文的研究目的与主要研究内容

1．4．1 本文的研究目的与意义

1．4．2 本文的主要研究内容

第二章 HCNG发动机仿真模型的建立与验证

2．1 一维数值模拟原理及建模参数设置

2．1．1 缸内热力学基本方程

2．1．2 缸内燃烧模型

2．1．3 传热模型

2．1．4 管道流动模型

2．1．5 Boost建模

2．2 三维数值模拟原理及建模参数设置

2．2．1 基本控制方程

2．2．2 湍流模型

2．2．3 燃烧模型

2．2．4 NOx生成模型

2．2．5 Fire建模

2．3 HCNG燃料定义及仿真模型验证

2．3．1 HCNG燃料的定义

2．3．2 Boost与Fire模型验证

2．4 本章小结

第三章 不同NVO对缸内EGR及换气过程的影响研究

3．1 NVO策略下EGR率的计算方法

3．2 对称NVO对缸内EGR及换气过程的影响

3．2．1 对称NVO对缸内EGR的影响

3．2．2 对称NVO对换气过程的影响

3．3 非对称NVO对缸内EGR及换气过程的影响

3．3．1 EVC单独变化对缸内EGR及换气过程的影响

3．3．2 IVO单独变化对缸内EGR及换气过程的影响

3．4 对称与非对称NVO对比分析

3．5 本章小结

第四章 内部EGR对缸内混合及燃烧特性的影响研究

4．1 内部EGR对缸内工质状态的影响

4．1．1 NVO策略下的流场特征

4．1．2 不同内部EGR缸内浓度场分析

4．1．3 不同内部EGR缸内温度场分析

4．2 内部EGR对缸内燃烧过程的影响

4．2．1 NVO策略下燃烧特性

4．2．2 NVO策略着火燃烧特征

4．2．3 缸内温度场变化规律

4．2．4 NVO策略下NO生成特性

4．3 本章小结

第五章 HCNG发动机NVO策略下工作范围的确定

5．1 NVO对发动机性能的影响

5．2 NVO策略下发动机工作范围的确定

5．3 NVO策略下发动机参数优化

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论文和取得的学术成果