單一燃料天然氣內(nèi)燃機(jī)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(yán)重污染,天然氣作為可替代的清潔能源日益受到關(guān)注,天然氣汽車也因此在世界范圍內(nèi)得到迅速發(fā)展。由于天然氣獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)以及低污染的燃燒排放,使得單一天燃料然氣內(nèi)燃機(jī)成為內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的重要方向。然而,天然氣作為內(nèi)燃機(jī)的燃料使用時(shí)也存在較多的問題;例如整個(gè)內(nèi)燃機(jī)循環(huán)的熱力學(xué)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(nèi)燃機(jī)的工作進(jìn)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(nèi)燃機(jī)的四沖程的工作過程開展了深入研究,同時(shí)基于基本的守恒方程和邊界條件,建立了零維數(shù)學(xué)模型來模擬內(nèi)燃機(jī)的整個(gè)熱力學(xué)循環(huán)過程。在三維和零維數(shù)學(xué)模型得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的前提下,本文采用三維和零維模型開展進(jìn)一步研究,詳細(xì)分析了單一燃料天然氣內(nèi)燃機(jī)的熱力學(xué)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(yù)混點(diǎn)燃的單一燃料天然氣內(nèi)燃機(jī)工作特性,發(fā)現(xiàn)缸內(nèi)的燃燒受湍流流動的顯著影響。基于三

3、維CFD計(jì)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(nèi)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(dǎo)致缸內(nèi)的溫度分布并不均勻,局部溫度較高。相對非預(yù)混燃燒,缸內(nèi)預(yù)混點(diǎn)燃的燃燒速度主要受火焰的傳播速度影響,化學(xué)反應(yīng)只在火焰面內(nèi)進(jìn)行,因此天然氣的燃燒過程相對較為緩慢,選用汽油機(jī)的點(diǎn)火提前角下,往往使得主燃期推遲,影響內(nèi)燃機(jī)工作效率和功率輸出。針對NO的計(jì)算結(jié)果表明,NO分布受缸內(nèi)

4、溫度和湍流的影響明顯,其生成速率在高溫時(shí)明顯增加,并在燃燒后期基本保持不變。
　　同時(shí),均質(zhì)壓燃(HCCI)技術(shù)作為一種新型的內(nèi)燃機(jī)燃燒技術(shù)能實(shí)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(xué)反應(yīng)機(jī)理模型,并耦合到CFD計(jì)算中,開展單一燃料天然氣均質(zhì)壓燃的三維CFD模擬研究。相比天然氣的預(yù)混點(diǎn)燃燃燒,均質(zhì)壓燃燃燒的燃燒速度基于天然氣的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué),受缸內(nèi)湍流擾動的影響較小,可實(shí)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(nèi)的燃燒溫度較低,可以進(jìn)一步減小 NO的生成,實(shí)現(xiàn)其清潔燃燒;但均質(zhì)燃燒主要受化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)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(nèi)的壓力瞬時(shí)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(jìn)氣溫度對均質(zhì)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(nèi)的著火溫度推遲,缸內(nèi)的最高溫度下降明顯,其 NO的生成量進(jìn)一步減小;在一定壓縮比下,其壓燃燃燒的結(jié)果