單一燃料天然氣內燃機動力循環(huán)過程的數(shù)值模擬與優(yōu)化研究.pdf

1、由于全球石油燃料的大量消耗和以及對環(huán)境的嚴重污染,天然氣作為可替代的清潔能源日益受到關注,天然氣汽車也因此在世界范圍內得到迅速發(fā)展。由于天然氣獨特的物理化學性質以及低污染的燃燒排放,使得單一天燃料然氣內燃機成為內燃機發(fā)展的重要方向。然而,天然氣作為內燃機的燃料使用時也存在較多的問題;例如整個內燃機循環(huán)的熱力學過程不夠清晰,動力輸出不足,燃燒相對緩慢等等。因此,針對單一燃料天然氣內燃機的工作進程開展研究,對提高其工作性能具有重要的意義。<

2、br>　　本文建立了三維CFD模型對內燃機的四沖程的工作過程開展了深入研究,同時基于基本的守恒方程和邊界條件,建立了零維數(shù)學模型來模擬內燃機的整個熱力學循環(huán)過程。在三維和零維數(shù)學模型得到了實驗數(shù)據(jù)驗證的前提下,本文采用三維和零維模型開展進一步研究,詳細分析了單一燃料天然氣內燃機的熱力學循環(huán)特性、燃燒特性,并提出了優(yōu)化方案。
　　首先,本文開展了天然氣預混點燃的單一燃料天然氣內燃機工作特性,發(fā)現(xiàn)缸內的燃燒受湍流流動的顯著影響?；谌?/p>

3、維CFD計算,明顯看到湍流脈動使得火焰界面發(fā)生彎曲和褶皺,加大了火焰面與未燃混合氣的接觸面積,從而加快缸內的燃燒速度。但燃燒的核心區(qū)域會在氣流的作用下產(chǎn)生偏離,導致缸內的溫度分布并不均勻,局部溫度較高。相對非預混燃燒,缸內預混點燃的燃燒速度主要受火焰的傳播速度影響,化學反應只在火焰面內進行,因此天然氣的燃燒過程相對較為緩慢,選用汽油機的點火提前角下,往往使得主燃期推遲,影響內燃機工作效率和功率輸出。針對NO的計算結果表明,NO分布受缸內

4、溫度和湍流的影響明顯,其生成速率在高溫時明顯增加,并在燃燒后期基本保持不變。
　　同時,均質壓燃(HCCI)技術作為一種新型的內燃機燃燒技術能實現(xiàn)稀薄狀態(tài)下的高效和清潔燃燒。本文基于Chemkin建立了的天然氣的化學反應機理模型,并耦合到CFD計算中,開展單一燃料天然氣均質壓燃的三維CFD模擬研究。相比天然氣的預混點燃燃燒,均質壓燃燃燒的燃燒速度基于天然氣的化學反應動力學,受缸內湍流擾動的影響較小,可實現(xiàn)較高空燃比的稀薄燃燒,從而

5、提高其燃燒效率。由于在稀薄燃燒下缸內的燃燒溫度較低,可以進一步減小 NO的生成,實現(xiàn)其清潔燃燒;但均質燃燒主要受化學反應動力學的控制,對其燃燒速度的控制較為困難。過快的燃燒速度也使得缸內的壓力瞬時產(chǎn)生躍升,在空燃比較小的情況下,容易產(chǎn)生敲缸等問題。本文還比較了不同過量空氣系數(shù)及進氣溫度對均質壓燃燃燒的影響,發(fā)現(xiàn)隨著過量空氣系數(shù)的增大,缸內的著火溫度推遲,缸內的最高溫度下降明顯,其 NO的生成量進一步減小;在一定壓縮比下,其壓燃燃燒的結果