高压缩比HCNG发动机稀薄燃烧特性仿真研究

摘要

面对当前能源危机、环境污染的紧迫形势，发展节能、环保的车用替代燃料已成为迫切需求。以焦炉气作为车用燃料，不仅可以缓解能源紧缺危机，同时还可以降低汽车尾气排放。焦炉气经甲烷化处理后得到由氢气（体积比55％）和甲烷（体积比45％）组成的混合气，可视为55％HCNG燃料。本研究主要内容包括：
　　⑴为了研究压缩比对HCNG发动机稀燃整机性能以及缸内燃烧过程的影响，同时避免发生回火，利用GT-VTRAIN软件，在原机30℃A气门重叠角的基础上，重新设计了14℃A和0℃A气门重叠角的气门升程曲线，并对其整机性能进行预测分析;分别利用AVL-Boost和AVL-Fire，建立ε=10、11、12，气门重叠角为0℃A的HCNG发动机整机性能仿真模型和缸内燃烧仿真模型;通过AVL-Fire缸内燃烧模型，计算得出各工况下的示功图和燃烧放热率，并利用MATLAB软件对数据进行处理，得到MBT点和m值（韦伯燃烧函数参数），为整机性能模拟参数的设置奠定基础;利用AVL-Boost和AVL-Fire模型，研究压缩比对HCNG发动机稀燃整机性能以及缸内燃烧过程的影响。整机性能仿真结果表明:压缩比越高，转矩、指示热效率以及NOx排放越高，有效燃料消耗率越低。随着过量空气系数从1.0逐渐增大到2.0，转矩逐渐减小;指示热效率呈先上升后下降的趋势，且在ψa=1.6～1.8区间内出现峰值;NOx排放呈先上升后下降的趋势，且在ψa=1.2时均达到最大值;有效燃料消耗率呈先下降后上升的趋势。当ε=10、11时，dp/dψ＜0.25MPa/(℃A)，在正常值范围内;ε=12时，dp/dψ＞0.25MPa/(℃A)。综合上述性能分析，压缩比增大到11时较为理想。缸内燃烧仿真结果表明:压缩比越高，火焰传播速度越快、缸内温度最大值越高，NOx排放量越高;随着燃烧趋近于结束，缸内温度逐渐降低，且压缩比越高，温度下降速度越快。
　　⑵为了研究进气道喷射式高压缩比稀燃HCNG发动机回火问题，利用AVL-Fire，建立ε=10、11，气门重叠角为30℃A、14℃A的HCNG发动机缸内燃烧仿真模型，结合发动机回火工况试验进行研究。仿真结果表明:由于气门重叠期较大，压缩比提高，导致高温废气回流到进气道，这是造成回火的原因之一;由于排气冲程末端的无效点火，进一步提高了进气门附近的温度，从而加大了回火趋势;上述两个原因是高压缩比稀燃HCNG发动机回火的主要原因。在n=1600r/min，MAP=90kPa，θig=16℃A BTDC，ψa=1.6，ε=11工况下、气门重叠角为30℃A时，功率为42.74kW，充气效率为70.83％;当气门重叠角减小为0℃A时功率为40.60kW，下降了5.01％，充气效率为68.93％，下降了2.68％;且当气门重叠角为0℃A时，可有效避免回火的发生。

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 天然气掺氢燃料及焦炉气燃料概述

1．2．1 天然气掺氢燃料

1．2．2 焦炉气燃料

1．3 HCNG发动机国内外研究进展

1．3．1 HCNG发动机最优掺氢比研究

1．3．2 HCNG发动机不同压缩比研究

1．3．3 HCNG发动机稀燃特性研究

1．3．4 HCNG发动机回火特性研究

1．4 内燃机燃烧数值模拟发展概述

1．4．1 发展历程

1．4．2 数值模拟在HCNG发动机开发上的应用

1．5 本文主要研究内容

第二章 HCNG发动机数值模拟研究平台的建立

2．1 研究对象

2．2 55％HCNG燃料低热值计算

2．3 55％HCNG燃料理论空燃比计算

2．4 数值模拟研究平台的搭建

2．4．1 一维整机性能仿真模型

2．4．2 三维缸内燃烧仿真模型

2．4．3 仿真模型的验证

2．5 本章小结

第三章 基于气门重叠角的配气相位设计

3．1 配气相位设计

3．1．1 配气相位优化设计参数简介

3．1．2 配气相位设计原则

3．1．3 HCNG发动机配气相位设计

3．2 新型线整机性能模拟对比分析

3．3 本章小结

第四章 压缩比对HCNG发动机稀燃性能的影响研究

4．1 不同压缩比活塞设计

4．2 MBT点计算方法

4．3 m值计算方法

4．4 不同压缩比HCNG发动机稀燃整机性能仿真

4．5 不同压缩比HCNG发动机稀燃性能三维仿真

4．6 本章小结

第五章 高压缩比稀燃HCNG发动机回火特性研究

5．1 回火工况试验与分析

5．1．1 试验工况及试验方法

5．1．2 回火工况试验数据分析

5．2 回火工况三维仿真分析

5．2．1 压缩比对回火过程的影响

5．2．2 点火系统对回火过程的影响

5．2．3 气门重叠角对回火过程的影响

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 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

附录