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缸内直喷低热值气体燃料发动机的掺氢性能仿真与试验研究

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摘要

1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 缸内直喷天然气发动机的研究现状

1.2.2 缸内直喷天然气掺氢燃烧的研究现状

1.2.3 低热值气体燃料在内燃机领域的研究现状

1.2.4 天然气发动机燃烧过程模拟研究现状

1.3 课题研究意义及内容

1.3.1 课题研究意义

1.3.2 课题研究内容

2 缸内直喷低热值气体燃料发动机掺氢燃烧仿真计算模型

2.1 基本守恒方程

2.1.1 质量守恒方程

2.1.2 动量守恒方程

2.1.3 能量守恒方程

2.2 仿真计算模型的选择和参数设置

2.2.1 湍流流动模型

2.2.2 湍流燃烧模型

2.2.3 燃烧的化学动力学模型

2.2.4 氮氧化物生成模型

2.3 几何模型的建立与网格划分

2.3.1 几何模型的建立

2.3.2 模型的网格划分

2.4 仿真计算与试验验证

2.4.1 初始条件与边界条件的设置

2.4.2 模拟结果与试验验证

2.5 本章小结

3 缸内直喷低热值气体燃料发动机掺氢燃烧的数值模拟

3.1 点火时刻对缸内直喷低热值气体燃料掺氢燃烧的数值模拟

3.1.1 发动机模拟计算工况的选择

3.1.2 点火时刻对动力性的影响分析

3.1.3 点火时刻对缸内温度的影响分析

3.1.4 点火时刻对排放物的影响分析

3.2 喷射相位对缸内直喷低热值气体燃料掺氢燃烧的影响

3.2.1 发动机模拟计算工况的选择

3.2.2 喷射相位对动力性的影响分析

3.2.3 喷射相位对缸内温度的影响分析

3.2.4 喷射相位对排放物的影响分析

3.3 掺氢比对缸内直喷低热值气体燃料燃烧的影响

3.3.1 掺氢比对动力性的影响分析

3.3.2 掺氢比对缸内温度的影响分析

3.3.3 掺氢比对排放物的影响分析

3.4 本章小结

4 缸内直喷低热值气体燃料发动机掺氢燃烧特性的试验研究

4.1 缸内直喷低热值气体燃料发动机台架建立

4.1.1 试验发动机主要性能参数

4.1.2 试验发动机测试仪器与设备

4.1.3 试验用气体物性参数

4.1.4 基于缸压的计算方法

4.2 点火时刻对发动机性能影响的试验结果分析

4.2.1 点火时刻对动力性影响的试验结果分析

4.2.2 点火时刻对排放性影响的试验结果分析

4.2.3 点火时刻对经济性影响的试验结果分析

4.3 过量空气系数对发动机性能影响的试验结果分析

4.3.1 过量空气系数对动力性影响的试验结果分析

4.3.2 过量空气系数对排放性影响的试验结果分析

4.3.3 过量空气系数对经济性影响的试验结果分析

4.4 喷射相位对发动机性能影响的试验结果分析

4.4.1 喷射相位对动力性影响的试验结果分析

4.4.2 喷射相位对排放性影响的试验结果分析

4.4.3 喷射相位对经济性影响的试验结果分析

4.5 本章小结

5 缸内直喷低热值气体燃料发动机掺氢燃烧负荷特性试验研究

5.1 掺氢比对缸内直喷低热值气体发动机负荷特性影响

5.1.1 变负荷下发动机动力性能对比分析

5.1.2 变负荷下发动机排放性能对比分析

5.1.3 变负荷下发动机经济性能对比分析

5.2 掺氮比对缸内直喷低热值气体发动机负荷特性影响

5.2.1 变负荷下发动机动力性能对比分析

5.2.2 变负荷下发动机排放性能对比分析

5.2.3 变负荷下发动机经济性能对比分析

5.3 喷射压力对缸内直喷低热值气体发动机负荷特性影响

5.3.1 变负荷下发动机动力性能对比分析

5.3.2 变负荷下发动机排放性能对比分析

5.3.3 变负荷下发动机经济性能对比分析

5.4 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

作者简历

学位论文数据集

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摘要

由于环境污染和能源短缺,气体燃料发动机受到了国内外学者的广泛关注,低热值混合气体燃料正成为世界各国政府及高校研究单位关注的焦点,但国内对于缸内直喷低热值气体燃料发动机的工作还处于起步阶段。为了掌握缸内直喷低热值气体燃料发动机掺氢燃烧性能,本次研究以ZS1100M型柴油机改装而成的气体燃料发动机为研究样机,对该类机型的缸内直喷低热值气体燃料掺氢的燃烧特性进行系统分析,为低热值气体燃料发动机的研制提供相应的控制策略和科学依据。根据改装后的气体发动机结构,确定了该气体发动机的几何模型、湍流模型、燃烧模型等以及相应的边界条件和初始条件。通过将数值计算结果与试验结果的对比分析,明确了计算结果的可信性。
  本文进行了了点火时刻和喷射相位对缸内直喷低热值气体燃料发动机掺氢燃烧特性影响的数值模拟,对缸内压力、温度场、NOx浓度场进行了分析。总结研究结果,低热值气体燃料掺氢燃烧后,点火时刻和喷射相位对发动机燃烧特性的影响方面呈现了一定的特点和规律。进行了过量空气系数、点火时刻和喷射相位对缸内直喷低热值气体燃料发动机掺氢燃烧特性影响的试验研究,对缸内平均压力、扭矩、放热率、HC排放、CO排放、NOx排放、燃气消耗率和热效率等进行了分析。结果表明,合适点火时刻和燃气喷射时刻下,掺氢10%有利于提高发动机动力性和经济性,但对NOx排放不利。同时,研究发现不同掺氮比燃气对负荷特性的影响不同,对不同负荷区域的影响也不同。

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