煤层气发动机燃烧模拟及实验研究

论文摘要

随着环境排放法规的日益严格,人们将越来越多的目光投放在寻找代用燃料的研究中。煤层气作为一种非常规的天然气,以其储量丰富和燃烧清洁等特点,逐渐受到各国研究人员的重视。数值模拟的出现与发展,以及CFD软件的应用,给现代发动机的开发设计提供了新的发展契机。在此背景下,本文针对潍柴动力股份有限公司经由6200柴油机改装的燃用变组分煤层气发动机进行了流动及燃烧的数值模拟计算,并对不同功率和过量空气系数下的排气温度及耗气率进行了实验研究。本文所作的具体工作如下:首先,对6200煤层气发动机的进气系统进行优化设计。计算出流动均匀性、压力损失和整机动力性,选择出最佳的进气系统优化方案。在进气系统优化后的基础上,对发动机的缸内流动特性进行数值分析。计算气门直径分别为90mm(原机)、92mm、95mm时,不同气门升程下的气道流量系数、涡流比、压差以及质量流量并比较其变化规律。结果表明,在气门直径为95mm时缸内流场分布较合理,流量系数最大,有利于组织缸内燃烧。其次,对6200煤层气发动机的燃烧过程进行了数值模拟。比较不同燃烧室的形状,不同点火提前角以及不同过量空气系数对燃烧特性及排放水平的影响。结果分析表明,缸内的平均压力、平均温度以及放热率均随着点火提前角的推迟呈下降趋势,且峰值出现点向上止点靠近;随着过量空气系数的增加上述计算值也呈下降趋势。同时,随过量空气系数的增加,NO的生成质量分数逐渐降低,分析认为:由于混合气浓度变稀,滞燃期和主燃期增长,火焰的传播速度减慢,进而放热率降低,缸内的压力、平均温度也降低,所以NO的生成量减小。最后,对6200煤层气发动机的电控系统进行选配,并对过量空气系数、充量系数MAP图进行了标定。针对大功率气体天然气发动机热负荷较高的问题,研究了不同负荷和过量空气系数下的排气温度及气耗率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 煤层气的特点以及开发利用意义
• 1.3 国内外燃气发动机技术现状
• 1.4 体燃料发动机需解决的关键技术问题
• 1.4.1 对进气空燃比的有效控制
• 1.4.2 发动机的运行安全性
• 1.5 课题的内容及选题意义
• 1.5.1 课题的意义
• 1.5.2 本文所做的主要工作
• 第二章 6200煤层气发动机进气系统的优化
• 2.1 CW6200ZT-1主要技术参数
• 2.2 问题的提出和数学模型
• 2.2.1 问题的提出
• 2.2.2 数学模型
• 2.2.3 计算模型的建立
• 2.3 模拟计算结果及分析
• 2.3.1 CFD模拟计算方案说明
• 2.3.2 流动均匀性和压力损失分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 6200煤层气发动机流动特性的数值模拟
• 3.1 数学模型
• 3.1.1 状态方程
• 3.1.2 湍流模型
• 3.2 数值方法
• 3.3 6200进气道流动特性的模拟计算
• 3.3.1 进气道三维模型的建立
• 3.3.2 网格的划分
• 3.3.3 边界条件的确定
• 3.3.4 方程的离散及求解
• 3.4 不同气门直径的结果比较分析
• 3.4.1 气门直径为90mm的计算结果
• 3.4.2 气门直径增加为92mm的计算结果
• 3.4.3 气门直径增加为95mm的计算结果
• 3.4.4 改进后缸内流场分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 6200煤层气发动机燃烧过程的数值模拟计算
• 4.1 燃烧过程物理模型及网格划分
• 4.1.1 物理模型
• 4.1.2 火焰模型
• 4.1.3 计算网格的划分及边界条件的确定
• 4.2 燃烧室的几何形状对缸内流场形成的影响
• 4.3 不同点火提前角对燃烧特性的影响
• 4.4 稀薄燃烧工况的燃烧特性研究
• 4.5 发动机排放性能研究分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 煤层气发动机的控制系统的标定实验
• 5.1 电控系统总体设计要求
• 5.2 EGS控制系统简介
• 5.2.1 空燃比的控制
• 5.2.2 速度和负荷的控制
• 5.2.3 点火时刻的控制
• 5.2.4 现场调试
• 5.3 控制系统的标定实验
• 5.3.1 充量系数标定
• 5.3.2 过量空气系数的标定
• 5.3.3 发动机转速控制的PID标定
• 5.3.4 点火MAP的标定
• 5.4 发动机实验结果分析
• 5.4.1 排气温度分析
• 5.4.2 耗气率的比较
• 5.5 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表