天然气发动机进气系统优化设计

摘要

日渐严峻的能源与环境问题，使各国都在积极地进行能源结构的调整与转型。在此背景下，天然气凭借储量丰富，经济性好，排放污染物少、处理容易等优势，成为极具竞争力的内燃机替代燃料。
　　本文以采用进气总管单点喷射方式的天然气发动机为研究对象，兼顾整机装配空间的要求，必须采用紧凑型混合总管，同时着重照顾大负荷下的工作均匀性。利用CFD仿真的方法，对发动机进气系统内的气流运动和气缸内气流运动进行仿真计算，并利用台架试验所测得各缸PHI值对仿真模型进行验证。利用验证后的计算模型分析进气系统不同结构参数对各缸进气均匀性和缸内气流运动的影响，对模型进行优化，确定优化方案。
　　分析影响各缸进气均匀性的因素可知:混合总管越长，燃料与空气在混合总管中的混合时间越长，有更充裕的时间进行充分混合，各缸进气均匀性得到有效改善;合理改变弯管形状及中间进气位置，可以改变各缸混合气浓度分布趋势，使得其分布趋势与保留V型弯管的原始模型进气系统一致;在混合总管中加入突扩结构亦可改变各缸混合气浓度分布趋势，与改变弯管形状及中间进气位置的区别在于其对各缸进气均匀性改善作用。
　　利用稳态仿真模型研究稳压腔结构参数对缸内流场的影响;稳压腔的中间进气位置对缸内气流运动有着重要的影响，将中间进气位置外移，流体湍动能增加，流体流向在各方向分布均匀性均得到改善，进入稳压腔后流入各个气缸内的流动状态差异减小，各缸内气流运动的差距变小;将中间进气位置外移且将居中时，流体流向稳压腔两端的距离趋于一致，有利于两侧流体流动状态对称性的改善，流体对各缸内气流运动的影响差距变小;稳压腔中可造成扰流的结构会造成两侧流体流动阻力不对称，将该部分去掉后，流体在稳压腔内的流动阻力减小，能量损失减小，流入各气缸的流体动能增加，各缸的涡流比有所提高，相对应的各缸滚流比降低;缩短稳压腔两端长度，流体的回流半径增大，回流对流入各气缸流体的流动影响增加，各缸内气流运动受其影响不尽相同。综合考虑，稳压腔中的可造成扰流结构对各缸气流运动影响最大。
　　将由仿真计算得到的较符合要求的优化模型与保留V型弯管的原始模型一起进行试验。结合仿真结果和试验结果，确定满足要求的优化方案。在考虑加工工艺，生产成本等一系列因素的基础上，得到稳压腔中间进气位置外移且去掉稳压腔中通孔的方案更有优势，更符合实际需求。

目录

声明

摘要

符号说明

1．1 引言

1．2 天然气汽车的发展

1．2．1 天然气发动机的发展

1．2．2 天然气汽车的时代优势

1．2．3 天然气发动机的供气方式

1．3 进气系统研究现状

1．4 本课题主要研究内容

第2章 仿真计算模型的建立

2．1 数学模型

2．2 仿真模型建立

2．3 原始模型试验结果分析

2．4 模型验证

2．5 本章小结

第3章 不同结构参数对进气过程的影响

3．1 不同结构参数对进气均匀性的影响

3．1．1 混合总管长度的影响

3．1．2 混合器对进气均匀性的影响

3．1．3 弯管及中间进气位置的影响

3．1．4 突扩管的影响

3．1．5 进气均匀性优化方案

3．2 稳压腔结构参数对缸内气流运动的影响

3．2．1 稳压腔入口位置的影响

3．2．2 稳压腔中可造成扰流的结构的影响

3．2．3 稳压腔两端距中间进气距离的影响

3．3 本章小结

第4章 试验验证

4．1 试验方案

4．2 优化前后试验数据分析

4．3 优化策略的比较

4．4 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

致谢

攻读硕士期间发表的论文