煤层气发动机工作过程数值仿真研究

摘要

在能源问题和环境污染问题日益严峻的前提下，煤层气具有燃烧热值高、燃烧后对环境污染小的特点，其可作为替代燃料。山西省拥有大量煤层气资源，合理利用煤层气一方面减少直接排放对环境的污染，另一方面煤层气就地开发利用可以减少运输成本和增加经济效益。煤层气发电是煤层气资源高效利用的最佳方式之一。其中燃气内燃机发电机组具有安装建设成本低、管理方便、发电效率高的优点；且燃气发动机可以很好的适应煤层气浓度和气量的波动。本文以煤层气发动机为研究对象，采用数值仿真的方法分析了煤层气发动机的主要工作参数、点火能量和双火花塞对整机性能的影响，旨在为煤层气发动机的优化设计提供一定的参考。 基于发动机的工作原理和缸内燃烧的特点，结合原煤层气发动机的基本参数和试验数据，采用AVL-Boost和AVL-Fire仿真软件建立了发动机的一、三维仿真模型并结合试验结果进行了模型验证；其中，为提高仿真的准确性，将一维工作性能仿真的结果如进气温度、压力作为三维仿真的边界条件。 通过煤层气发动机的一维工作过程仿真，分析了工作过程参数对整机性能的单参数影响规律和多参数交互影响规律。当发动机其它参数为初始值，分别以压缩比（7.5-14.5）、点火提前角（14°-26°）、空燃比（15.1-29.2）、气门重叠角（12°-32°）为单一变量时，仿真计算得出煤层气发动机的最大爆压、压升率、功率、燃气消耗率、最高燃烧温度、排温等数据，分析各个结果的变化规律，进而得出较优的压缩比、点火提前角、空燃比和气门重叠角，为发动机的优化设计提供依据。利用正交实验法，对压缩比、点火提前角和空燃比三个参数进行正交方案设计，完成了工作过程参数对整机性能的多参数交互影响规律；基于煤层气发动机仿真结果的功率和燃气消耗率，对三个参数进行了极差分析和方差分析。 在标定转速1500r/min、全负荷情况下，通过发动机工作过程三维CFD仿真，分析了火花塞的点火能量、双火花塞位置对缸内燃烧的影响。主要分析了火花塞的点火能量和不同位置双火花塞对煤层气发动机的放热率、累计放热量、缸内平均温度、缸内平均湍动能、缸内火焰传播情况、缸内NOx浓度及NOx生成率等的影响。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 煤层气发动机研究现状

1.3 本研究的主要内容

第2章 建立煤层气发动机仿真模型及验证

2.1 发动机工作过程数值分析的理论基础

2.1.1 基本控制方程

2.1.2 湍流模型

2.1.3 点火、燃烧模型

2.1.4 NOx排放模型

2.2 一维工作过程仿真建模

2.2.1 模型建立

2.2.2 一维工作过程仿真模型验证

2.3 三维缸内燃烧过程仿真建模

2.3.1 建立缸内燃烧模型

2.3.2 缸内燃烧模型的验证

2.4 本章小结

第3章 煤层气发动机一维工作过程的数值分析

3.1 压缩比对工作过程的影响研究

3.1.1 理论分析

3.1.2 仿真结果

3.2 点火提前角对工作过程的影响研究

3.2.1 理论分析

3.2.2 仿真结果

3.3 空燃比对工作过程的影响研究

3.3.1 理论分析

3.3.2 仿真结果

3.4 气门重叠角对工作过程的影响研究

3.4.1 理论分析

3.4.2 仿真结果

3.5 基于正交试验法对一维工作过程主要参数的分析研究

3.5.1 正交试验设计基础

3.5.2 正交试验的理论

3.5.3 正交试验表的选择

3.5.4 正交试验仿真结果

3.6 本章小结

第4章 煤层气发动机缸内燃烧过程三维模拟分析

4.1 点火能量对煤层气发动机性能的影响

4.1.1 点火能量对煤层气发动机性能的影响

4.1.2 点火能量对缸内湍流场的影响

4.1.3 点火能量对燃烧过程的影响

4.1.4 点火能量对温度场的影响

4.1.5 点火能量对NOx分布的影响

4.2 双火花塞对煤层气发动机燃烧过程的影响

4.2.1 双火花塞位置对煤层气发动机性能的影响

4.2.2 双火花塞位置对湍流场演变过程的影响

4.2.3 双火花塞位置对燃烧过程的影响

4.2.4 双火花塞位置对温度场分布的影响

4.2.5 双火花塞位置对NOx分布的影响

4.3 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢