柴油/CNG发动机尾气热量排放规律研究及其流场数值仿真

摘要

天然气发动机的研究已成为目前发动机技术的一个重要发展方向，是近年来国内外发动机行业的热点研究问题。其中用柴油作引燃燃料的柴油/CNG双燃料发动机以其改装方便、经济性好、燃料选用灵活、热效率高以及排放性能好等优点日益受到重视。将柴油机改装为柴油/CNG双燃料发动机，这对优化能源结构，降低柴油机排放污染，可持续性发展都具有深远的意义。 本文首先分析了柴油机掺烧CNG后的燃烧特性，进而建立了双燃料发动机机缸内燃烧过程的二维模型，由于双燃料发动机的燃烧过程具有预混燃烧和扩散燃烧的双重特点，使其排放性能较好，但由于天然气与空气形成混合气的热值比柴油与空气形成的混合气热值低，造成双燃料发动机尾气温度下降，且下降程度与掺烧比成正比。 实验研究以2135柴油机改装而成的柴油/CNG双燃料发动机台架为对象，对其尾气热量排放规律进行了试验研究。通过进行柴油机尾气热量排放规律的试验，得出了各工况下尾气热量与柴油机转速、负荷、掺烧比之间的数学模型，为尾气热量的利用提供了理论依据。通过对试验结果的分析，得出了如下结论：尾气热量随负荷、转速的增大而增大，随掺烧比的增大而减小。 本文介绍了内燃机工程中传热的热负荷研究的发展和现状，进而对内燃机缸内过程的数值模拟，计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)进行了定义和说明，接着阐述了求解内燃机燃气流场温度分布的基本原理和方法，介绍了热传导的偏微分方程、热边界层的基本方程和确定流场边界条件的方法以及有限元法的基本理论。 通过热电偶和硬度塞来测量尾气流场中一系列特征点的温度值。以测量所得温度值作为基本数据，经过计算处理获得尾气流场边界条件，利用有限元分析软件作为数值仿真的工具，对2135柴油/CNG双燃料发动机尾气流场进行了温度场、压力场、速度场的数值仿真。得到了在额定工况下双燃料发动机排气管内的温度分布，对柴油/CNG双燃料发动机尾气热量的合理利用提供了理论依据。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2课题背景与意义

1.2.1柴油机燃用CNG的研究意义及现状

1.2.2研究尾气余热的意义

1.2.3流场数值仿真的意义

1.3国内外研究现状及发展动态

1.3.1尾气热量排放规律的研究现状及发展动态

1.3.2内燃机流场数值的研究现状及发展动态

1.4论文结构安排

1.4.1研究目标

1.4.2研究内容

1.4.3拟解决的关键问题

1.4.4拟采取的研究方法、技术路线

1.4.5预期的研究成果和创新点

第2章 柴油机掺烧CNG的缸内燃烧过程

2.1压缩天然气(CNG)的物化特性

2.2柴油机的主要排放污染物及生成机理

2.2.1 CO的危害及生成机理

2.2.2 HC的危害及生成机理

2.2.3 NOx的危害及生成机理

2.2.4微粒的危害及生成机理

2.3柴油机掺烧CNG后的燃烧特性

2.4柴油/CNG双燃料发动机燃烧过程二维模型

2.4.1柴油燃烧模型的建立

2.4.2气体燃料燃烧模型和流场控制方程

2.4.3结语

2.5本章小结

第3章 柴油/CNG双燃料发动机尾气热量排放规律的试验研究

3.1 2135柴油机主要技术参数

3.2实验台架的搭建

3.3热电偶法的温度测量

3.4测点的布置原则

3.5试验结果

3.5.1试验方法

3.5.2试验数据

3.6柴油/CNG双燃料发动机尾气热量排放规律

3.6.1尾气热量与影响因素(转速)的关系

3.6.2尾气热量与影响因素(负荷)的关系

3.6.3尾气热量与影响因素(掺烧比)的关系

3.7本章小结

第4章 内燃机尾气流场数值仿真的有限元分析基础

4.1引言

4.2传热问题的基本方程及定解条件

4.2.1导热问题的微分方程式

4.2.2导热问题的定解条件

4.3内燃机尾气流场的数学和物理模型

4.3.1控制方程

4.3.2物理模型

4.4边界条件确定的原则和方法

4.5尾气对流传热问题的有限元分析方法

4.5.1有限元方法简述

4.5.2有限元方程

4.6本章小结

第5章 尾气流场的三维数值仿真

5.1 FLUENT简介

5.2 2135柴油机尾气流场的三维建模及网格划分

5.3发动机尾气流场的数值仿真

5.3.1纯柴油,额定工况下的尾气流场数值仿真

5.3.2掺烧天然气(掺烧比35%)额定工况下的尾气流场数值仿真

5.4本章小结

第6章 工作总结与研究展望

6.1全文工作总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文

附录