火花点火HCNG发动机性能及工作过程的试验研究与数值模拟

论文摘要

天然气掺氢燃料(HCNG),是将天然气和氢气按一定比例混合得到的一种新型车用燃料,它不仅是一种满足汽车行业的发展方向“节能减排”的替代燃料,也是从传统汽车向氢能汽车过渡的最具可行的方案。本论文的主要工作内容为通过试验研究与模拟计算的方法来对火花点火HCNG发动机的性能及工作过程进行研究和分析。前期的研究结果表明:掺氢对CNG发动机性能的改善主要原因在于其对CNG发动机稀燃能力的提高,因此本文通过试验主要研究分析了以下三个问题:(1)掺氢对CNG发动机稀燃能力提高即降低稀燃循环变动的原因;(2)掺氢可以在多大程度上提高CNG发动机的稀燃能力;(3)掺氢对CNG发动机经济性、排放性等综合性能带来的影响。由于在研究过程中需要从燃烧角度分析试验所用发动机的缸内压力数据,因此本文也发展了通过HCNG发动机缸压数据计算燃烧放热率的双区热力学模型。在数值模拟计算研究中,主要借助了AVL Boost和Fire软件,其中Boost软件用于HCNG发动机整机性能的一维模拟而Fire软件则用于较详细的分析HCNG发动机进气和燃烧过程。本文通过一维模拟计算分析了掺氢比、发动机负荷、压缩比和配气相位对HCNG发动机综合性能的影响。通过三维模拟计算分析了掺氢对缸内燃烧速度、温度及NOx排放的影响,并研究了进气和压缩过程中进气道和缸内的速度场及其对燃烧过程的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题背景和意义
• 1.1.1 汽车工业的发展及其对能源环保的压力
• 1.1.2 发展内燃机替代燃料
• 1.2 天然气掺氢燃料的特点
• 1.3 HCNG 发动机国内外研究进展
• 1.4 发动机工作过程数值模拟的研究现状
• 1.4.1 数理模型
• 1.4.2 网格生成
• 1.4.3 常用模拟软件
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 HCNG 发动机试验系统及数据分析
• 2.1 HCNG 发动机试验系统
• 2.1.1 发动机及其控制系统
• 2.1.2 测试系统
• 2.1.3 燃料供给系统
• 2.2 HCNG 燃料的相关计算
• 2.2.1 质量掺氢比计算
• 2.2.2 HCNG 燃料理论空燃比计算
• 2.2.3 HCNG 燃料低热值的计算
• 2.3 放热率的计算
• 2.3.1 双区热力学模型
• 2.3.2 工质热物性参数的计算
• 2.3.3 传热损失计算
• 2.3.4 燃烧过程初始值的处理
• 2.4 本章小结
• 第3章 掺氢对稀燃CNG 发动机循环变动的影响
• 3.1 稀燃极限的表征方式
• 3.2 火花点火发动机循环变动的分析及评价方法
• 3.2.1 与缸内压力有关的分析方法
• 3.2.2 与燃烧有关的分析方法
• 3.2.3 循环变动分析方法总结
• 3.3 掺氢对稀燃CNG 发动机循环变动影响的试验研究
• 3.3.1 试验方法及数据处理
• 3.3.2 缸内压力特征参数的分析
• 3.3.3 燃烧特征参数的分析
• 3.3.4 排放数据的初步分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 掺氢对稀燃CNG 发动机稀燃极限的影响
• 4.1 天然气发动机稀燃的优势及问题
• 4.2 关于稀燃极限的国内外研究及试验方案的选定
• 4.2.1 国内外研究现状
• 4.2.2 试验方案
• 4.3 HCNG 稀燃极限的影响因素
• 4.3.1 掺氢比对发动机稀燃极限的影响
• 4.3.2 负荷对发动机稀燃极限的影响
• 4.3.3 转速对发动机稀燃极限的影响
• 4.3.4 点火提前角对发动机稀燃极限的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 稀燃HCNG 发动机性能及排放的试验研究
• 5.1 HCNG 发动机性能及排放的研究现状
• 5.2 掺氢对发动机的热效率及排放性能的影响
• 5.2.1 固定点火提前角时HCNG 发动机的效率与排放特性
• 5.2.2 MBT 点火提前角时HCNG 发动机的效率与排放特性
• 5.3 HCNG 发动机标定目标空燃比的选择
• 5.3.1 过量空气系数对循环指示功的影响
• 5.3.2 过量空气系数对燃烧放热过程的影响
• 5.3.3 过量空气系数对燃烧特征参数的影响
• 5.3.4 过量空气系数对发动机热效率的影响
• 5.3.5 过量空气系数对发动机排放的影响
• 5.3.6 过量空气系数的综合确定方法
• 5.4 HCNG 发动机的点火提前特性
• 5.4.1 点火提前角对热效率的影响
• 5.4.2 点火提前角对燃烧放热率的影响
• 5.4.3 点火提前角对循环变动的影响
• 5.4.4 点火提前角对发动机排放的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 HCNG 发动机工作过程模拟的数理模型
• 6.1 一维模拟的计算模型
• 6.1.1 管道一维流动模型
• 6.1.2 缸内计算模型
• 6.2 多维模拟的计算模型
• 6.2.1 模拟工具简介
• 6.2.2 流动控制方程
• 6.2.3 燃烧模型
• x 生成模型'>6.2.4 NO_x生成模型
• 6.2.5 固体边界的处理
• 6.3 本章小结
• 第7章 HCNG 发动机整机一维数值模拟
• 7.1 整机BOOST 模型的建立及试验验证
• 7.1.1 模型的拓扑结构
• 7.1.2 模型的输入参数
• 7.1.3 模型的验证
• 7.2 HCNG 发动机变参数一维模拟研究
• 7.2.1 掺氢比的影响
• 7.2.2 发动机负荷的影响
• 7.2.3 压缩比的影响
• 7.2.4 配气相位的影响
• 7.3 本章小结
• 第8章 HCNG 发动机缸内工作过程多维数值模拟
• 8.1 几何模型的建立
• 8.2 模型参数及试验验证
• 8.2.1 计算区间及步长
• 8.2.2 计算初始条件
• 8.2.3 计算边界条件
• 8.2.4 流动及燃烧模型选取
• 8.2.5 模型的试验验证
• 8.3 模拟结果及分析
• 8.3.1 气道及缸内流动分析
• 8.3.2 燃烧过程分析
• 8.4 本章小结
• 第9章 结论
• 9.1 全文总结
• 9.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果