天然气喷射阀设计与性能研究

摘要

天然气喷射阀作为天然气发动机燃气供给系统中的关键执行部件，其性能的优劣对喷气定时、喷射持续期、喷射质量流率等喷射特性具有显著的影响，喷射阀响应特性决定了喷气定时、喷射持续期等的控制精度以及燃气供给的动态响应，喷射阀燃气流动特性对燃气质量流率、出口天然气混合程度等将产生重要影响，进而影响天然气发动机的经济性、动力性等。因此，本文开展天然气喷射阀结构设计及工作特性研究，对天然气喷射阀的设计及系统匹配具有重要意义。
　　首先，对天然气喷射阀的结构进行了概念设计，根据天然气喷射阀的设计目标及其工作边界条件，通过气动理论推导确定了阀芯与阀座环带相关结构参数，同时结合相关的电磁理论公式对电磁驱动组件的结构参数进行了确定，并依照阀内各组件所确定的结构参数，利用Ansoff Maxwell与ANSYS Simplorer软件分别建立静态电磁仿真模型、瞬态联合仿真模型，利用ICEM CFD与FLUENT软件建立流体仿真模型。
　　其次，针对喷射阀的响应特性，着重分析了电磁组件的结构参数、相关的驱动电路参数以及机械参数对阀芯静态电磁力特性、响应特性的影响，确定了电磁组件相关参数的具体数值，保证喷射阀具有良好的响应特性;针对喷射阀内部燃气的流动特性，分析了阀内流域中心截面上压力场、流速场的基本分布，对比了阀芯不同开度下压力场、流速场变化情况;探究了阀座出口处的天然气质量流率在不同的入口压力、入口温度与阀芯不同响应速度下的变化规律，着重分析了阀芯维持阶段以及阀芯响应各时刻对应的质量流率在不同条件下的变化，并拟合出了阀座出口在单位时间内的平均质量流率随阀芯持续期在不同条件下的变化公式，结果表明存在某一确定的阀芯开度，其作为阀座出口质量流率变化斜率在不同阀芯开度下的转折点，综合考虑阀座出口质量流率大小与尽量避免阀座出气环带节流状况，将此阀芯开度作为阀芯的最大升程;
　　最后，研究了阀体内部及阀座出口处天然气湍流的基本分布，对比了阀芯不同开度下的阀体内部及阀座出口处湍流的变化情况，并探究了出口处平均湍流强度与入口压力、入口温度之间的变化规律，结果表明湍流强度与天然气入口压力、入口温度均成正相关。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．2燃气供给方式

1．2．1缸外供气

1．2．2缸内燃气直喷

1．3天然气喷射阀的研究现状

1．3．1天然气喷射阀的分类

1．3．2国外天然气喷射阀的研究现状

1．3．3国内天然气喷射阀的研究现状

1．4课题研究的背景与意义

1．5本文的主要工作

第2章天然气喷射阀结构原理与概念设计

2．1燃气供给系统的组成及工作原理

2．2天然气喷射阀的概念设计

2．3天然气喷射阀的具体设计

2．3．1天然气喷射阀的设计目标

2．3．2阀芯与阀座环带初始结构参数设计

2．3．3驱动组件部分初始结构参数设计

2．4本章小结

第3章天然气喷射阀响应特性研究

3．1电磁仿真模型的建立

3．1．1静态仿真模型的建立

3．1．2瞬态联合仿真模型的建立

3．1．3电磁仿真模型的验证

3．2静态电磁特性研究

3．2．1电磁驱动组件静态三维仿真分析

3．2．2静态电磁模型的3D参数化计算

3．3响应特性关键参数的影响研究

3．3．1电磁组件参数的影响

3．3．2驱动电路参数的影响

3．3．3机械参数的影响

3．3．4天然气喷射阀整体电磁特性

3．4本章小结

第4章天然气喷射阀流动特性研究

4．1天然气喷射阀流体仿真模型的建立

4．1．1 CFD仿真数学模型

4．1．2网格模型的建立

4．1．3初始及边界条件的确定

4．2天然气喷射阀内部流场分析

4．2．1中心截面处流场分布

4．2．2阀芯不同开度下的压力场分析

4．2．3阀芯不同开度下的速度场分析

4．3天然气喷射阀质量流率的影响因素分析

4．3．1维持阶段质量流率的影响研究

4．3．2入口参数对质量流率的影响研究

4．3．3平均质量流率的拟合研究

4．4天然气湍流特性分析

4．4．1阀体内部湍流分布

4．4．2阀座出口湍流分布

4．4．3阀座出口湍流强度影响因素分析

4．5本章小结

第5章全文总结与工作展望

5．1全文总结

5．2工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢