喷射策略及天然气掺混率对柴油转子发动机燃烧过程的影响

摘要

随着环境保护日益受到重视，排放法规愈来愈严苛，这对发动机的工作过程提出了越来越高的要求。转子发动机是一种很有特点的发动机，具有体积小、质量轻、高速性能好等优点，在电动汽车增程器、无人机等领域得到广泛的应用。本文首先在分析国内外发展动态的基础上，针对柴油转子发动机的燃烧过程，采用CFD软件建立耦合正庚烷简化机理的转子发动机动态仿真模型；其次在实验验证的基础上分析了喷射时刻、喷射持续期、二次喷射策略、天然气替代率等参数对其燃烧特性及排放物生成量的影响，相关结果为优化柴油转子发动机的动力性和污染物排放提供了初步的理论基础。
　　本研究主要内容包括：⑴建立了缸内流动和燃烧过程的计算模型，并进行了实验验证。通过编制自定义程序实现了转子发动机网格的运动，并添加了合适的湍流模型、燃烧化学反应模型及简化的正庚烷化学反应机理，建立了柴油转子发动机动态数值模型，进行了网格无关性分析，并将模拟结果与实验数据进行了对比，验证了计算模型的可靠性。⑵计算了单次喷射下喷射时刻及喷射持续期对柴油转子发动机燃烧过程的影响，结果表明：计算条件下，随着喷射时刻的推迟，缸内压力、缸内温度呈逐渐增大的趋势；喷油提前角为40℃A时NO生成量最低而CO、Soot生成量较高。当喷油提前角为40℃A时，喷射持续期的变化对燃油浓度分布产生影响，进而影响燃烧过程；持续期为45℃A时既达到了较高的缸内压力，也考虑了较少的污染物生成量，是较优的设置。⑶研究了二次喷射策略对柴油转子发动机燃烧过程及排放物生成的影响规律，结果表明：二次喷射时刻的变化对缸内压力的影响不大，二次喷射时刻的推迟能显著降低柴油转子发动机的CO生成量，同时NO的生成量略微升高；预喷时刻定为-40℃A，主喷时刻定为-8℃A时，预/主喷射比例的设置影响不同阶段的燃烧速度，预/主喷射比例为6/4时与5/5时相比缸内压力更高，同时获得了较少的NO和Soot生成量。⑷在两种喷射策略下研究了天然气掺混率对燃烧过程的影响，结果表明：两种喷射策略下，掺混率由0增大到70%的过程中，缸内压力变化不大，达到90%时才有明显降低；随着掺混率的升高，两种喷射策略下CO、Soot生成量明显降低，单次喷射下NO逐渐升高，二次喷射下掺混率提升至70%时NO会有明显升高。利用二次喷射控制不同阶段的燃烧速度，同时掺混50%天然气可以在保持动力性的同时，大大降低CO、Soot的生成量，并较好的控制NO生成量。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 柴油转子发动机简介

1.2 国内外转子发动机开发及研究现状

第二章 计算模型的建立及验证

2.1 FLUENT软件简介

2.2 物理模型的建立

2.3 数学模型的建立

2.4 计算模型的验证

2.5 本章小结

第三章 单次喷射参数对缸内燃烧过程的影响

3.1 混合气形成及关键组分的变化过程

3.2 单次喷射下喷射提前角对燃烧过程的影响

3.3 单次喷射下喷射持续期对燃烧过程的的影响

3.4 本章小结

第四章 二次喷射对柴油转子发动机缸内燃烧过程的影响

4.1 二次喷射时刻对缸内燃烧过程及污染物生成的影响

4.2 二次喷射比例对缸内燃烧过程及污染物生成的影响

4.3 本章小结

第五章 天然气替代率对柴油转子发动机燃烧和排放的影响

5.1 单次喷射下天然气替代率对缸内燃烧过程及污染物生成的影响

5.2 二次喷射下天然气替代率对缸内燃烧过程及污染物生成的影响

5.3 掺混天然气时不同喷射策略下发动机动力性和排放的对比

5.4. 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 论文创新点

6.3 建议及展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文

硕士期间申请的专利