缸内直喷低热值飞体燃料发动机数值模拟与试验研究

摘要

能源短缺和生态环境恶化是21世纪人类面临的两大难题，汽车及发动机作为现代社会文明的重要标志，其发展正承受着来自上述两方面的巨大挑战，因此探索开发替代石油基燃料的新型洁净代用燃料是当前世界各国关注的焦点。在以上背景下，近年来低热值气体燃料（或称为低品质气体燃料）正受到世界各国政府、企业及高校研究单位越来越多的重视。将缸内直喷技术应用于低热值气体燃料发动机，能有效的提高充气效率，改善燃烧特性，扩展稀燃极限并且降低有害气体排放，具有很强的现实意义。
　　 本文在国家自然科学基金项目“缸内直喷低热值气体掺氢燃料发动机的混合气形成与燃烧规律研究”的资助下利用CFD技术对混合气的形成、燃烧过程进行分析，研究不同参数对混合气形成情况、燃烧过程的影响；并且通过台架实验对分析结论进行了验证。
　　 通过研究有限空间内的亚音速喷流和音速喷流的形态与特性，选择了合理的喷射压力和喷嘴直径；通过对缸内直喷气体燃料发动机的三维流动分析表明：燃料喷射过程对缸内流场的分布有重要的作用，不同的喷射策略使缸内燃料分布的“不均匀度”发生变化，这使得可以通过改变喷射策略来满足不同工况下对缸内燃料分布的要求；通过燃烧特性的研究表明：缸内直喷气体燃料发动机通过燃料喷射过程产生的特定的速度场、湍流场、甲烷浓度场对点火、燃烧过程产生较大影响；喷射策略、点火时刻，过量空气系数对发动机性能有规律性的影响，合理的参数选择能有效的提高发动机的性能。并探索了缸内直喷低热值气体燃料发动机稀燃特性，证明了通过选择合理的喷射策略能扩展发动机的稀燃极限；完成了缸内直喷低热值气体燃料发动机的改装工作；通过发动机台架实验，对仿真计算进行了验证。