稀燃天然气发动机燃烧过程研究和燃烧系统开发

摘要

随着排放法规的不断提高，开发低排放中重型车用单一燃料天然气发动机应用于城市公交客车成为发动机工作者的重要研究课题。本文通过理论分析、数值计算与试验研究相结合的手段，对一台由6102型柴油机改装的火花点火天然气发动机的燃烧过程和燃烧系统进行了研究。
　　 本文首先应用试验与CFD研究相结合的方法，对原机的燃烧室形状进行优化设计，通过对缸内气体流动及火焰传播的分析，得出湍流强度对火核形成影响较小，在快速燃烧期，湍流强度对火焰传播速度有直接的影响，湍流强度强的区域，火焰传播速度快；适当增大挤气面积，可增大逆挤流强度，提高缸内湍流动能，促进火焰传播。本文还针对火花塞中置与偏置的方案进行了探讨，得出火花塞中置时，有利于火焰向四周传播，可以提高燃烧速度，但同时缸内压力升高率和NOx排放也会大幅增大。
　　 针对HC和NOx排放过高的问题，对所研究发动机配气机构进行了改进设计，并将优化方案与原机方案一起在发动机台架上进行对比试验，研究了配气相位对燃烧和排放的影响。结果表明，气门重叠角减小，HC和NOx排放降低，但高转速时过小的气门重叠角，不利于HC排放的降低；高转速时，应适当增大点火提前角，使压力峰值在上止点后20℃A以内，同时也可以避免后燃，降低排温。
　　 为保证火核稳定点火，促进火焰向外传播，通过改变气门室高度H值和涡壳相对角度θ，在原进气道基础上对发动机的螺旋进气道进行了改进设计，并分别对缸内气体进行了稳态和瞬态数值模拟计算。研究结果表明：降低涡流比，可增大缸内气体湍流动能，适当增大湍流动能可以提高火焰传播速度，但过大的湍流动能也会抑制火焰向外传播。
　　 最后，研究了天然气发动机的控制策略，安装优化设计后的燃烧系统，对天然气发动机进行整机性能试验。分析点火提前角和过量空气系数对燃烧过程的影响，探求天然气发动机在不同工况下的稀燃极限，并对该天然气发动机进行ETC排放试验。得出当进气压力和转速一定时，随着混合气浓度的变稀，燃烧稳定性变差，NOx排放降低；当混合气浓度一定时，推迟点火提前角，则燃烧过程显著延迟，稀燃能力减小，且燃烧稳定性变差。最大扭矩转速时的稀燃能力大于标定功率转速时的稀燃能力，且燃烧稳定性较好。在满足动力性经济性的基础上，对试验发动机加氧化催化剂进行了ETC排放测试，两次测试结果表明，该试验机在ETC试验中已达到国Ⅳ排放标准。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2天然气在能源结构中的地位、物化特性

1.2.1天然气在能源结构中的地位

1.2.2天然气的物化特性

1.3天然气发动机的发展历程

1.4天然气发动机国内外研究状况

1.4.1两用燃料发动机

1.4.2双燃料发动机

1.4.3单燃料发动机

1.4.4天然气发动机稀燃技术

1.5数值模拟在发动机研究开发中的应用

1.5.1应用于发动机工作过程的多维数值模拟软件

1.5.2数值模拟在点燃式天然气发动机研究中的应用

1.5.3进气过程多维数值模拟研究

1.6课题研究的意义、目标和内容

第二章 数值计算模型、计算方法与网格生成

2.1气体流动模型

2.1.1流动控制方程

2.1.2流动控制方程的时均化

2.1.3湍流模型

2.2燃烧模型

2.2.1涡破碎模型(EBU)

2.2.2涡耗散模型(EDC)

2.2.3特征时间模型

2.2.4概率密度函数方法(PDF)

2.2.5湍流火焰速度封闭模型

2.2.6相干火焰模型

2.3排放模型

2.3.1氮氧化合物的生成机理

2.3.2影响氮氧化物生成的主要因素

2.4数值计算方法

2.4.1有限容积法

2.4.2任意拉格朗日法(ALE)

2.5网格生成

2.5.1网格类型

2.5.2网格生成过程与网格划分的要求

2.6本章小结

第三章 燃烧室形状对天然气发动机燃烧过程和气体流动的影响

3.1不同形状燃烧室的设计

3.1.1几何模型的建立

3.1.2计算模型与计算网格的划分

3.1.3计算对象结构参数及运行参数

3.2计算结果与分析

3.2.1模型可行性验证

3.2.2天然气发动机的火花点火及火焰传播过程

3.2.3燃烧室形状对燃烧过程的影响

3.3火花塞位置对燃烧过程影响的数值计算

3.4试验结果分析

3.4.1试验装置与试验方法

3.4.2试验结果及分析

3.5小结

第四章 配气相位的改进设计及其对发动机燃烧过程的影响

4.1配气机构优化设计

4.1.1优化方法

4.1.2型线设计

4.1.3优选设计方案

4.2试验研究

4.2.1燃烧特性分析

4.2.2排放分析

4.3本章小结

第五章 点燃式天然气发动机进气道的优化设计与研究

5.1原机进气道数值计算

5.1.1几何建模

5.1.2网格生成

5.1.3计算模型与边界设置

5.1.4计算结果与试验结果对比

5.2不同形状进气道CAD设计及三维稳态数值计算

5.2.1不同进气道形状的设计

5.2.2不同气道形状稳态计算结果及分析

5.3气道形状对缸内气体流动与燃烧过程影响的研究

5.3.1计算模型及边界条件

5.3.2气道形状对进气和燃烧过程影响的研究

5.4实验研究

5.5本章小结

第六章 天然气发动机稀薄燃烧过程的试验研究

6.1空燃比与点火控制

6.1.1空燃比控制方法

6.1.2点火控制

6.1.3控制系统示意图

6.2试验研究

6.2.1点火提前角和过量空气系数对燃烧过程的影响

6.2.2点火提前角和过量空气系数对排温的影响

6.2.3点火提前角和过量空气系数对发动机动力性、经济性和排放的影响

6.3 ETC试验

6.3.1排放法规

6.3.2试验方法及规程

6.3.3试验过程及结果分析

6.4本章小结

第七章 全文总结及工作展望

7.1全文总结

7.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录：主要符号说明

致 谢