基于KIVA-3V的乙醇汽油燃烧过程仿真研究

论文摘要

内燃机作为常用的燃烧装置,消耗的能源量占世界石油消耗量的一半以上。在当今能源危机与环境污染日益严重的情况下,很多国家开始研究车用代用燃料,用含水乙醇来部分代替汽油作为内燃机燃料逐渐被广泛的研究和应用。KIVA-3V是美国Los Alamos国家实验室推出的内燃机过程仿真程序集,该程序在国际上处于领先的水平,不仅可以直观反映缸内流场信息及燃烧过程,还可以根据需要进行变参数的研究,为内燃机的技术革新提供理论支持。本课题作为重庆市科委《醇类汽油关键技术及生产示范》重点攻关项目的一部分,以台架试验所采用的JL368Q汽油机为仿真对象,基于KIVA-3V程序集对含水乙醇汽油进行了一系列的研究,其主要工作有:研读了KIVA的运行方式和结构组成,对实验所用程序进行了微机化移植并将含水乙醇汽油E30W、E50W的物性参数添加到主程序燃料库中;为了能够更直观、详细的分析仿真结果,本文根据计算需要修改了部分输出语句,并编制了OTAPE9与专业流场可视化软件FIELDVIEW之间的接口程序,提供了丰富的流场分布信息;本文利用对JL368Q汽油机所建立的网格,进行了E30W、E50W、汽油燃烧过程的仿真计算。获取了每种燃料缸内气体压力、温度与NOx、CO随曲轴转角的变化关系,并对三种燃料进行对比分析,得出了有意义的结论;进行了含水乙醇汽油与汽油的变参数研究,在改变点火提前角、涡流比、负荷的基础上,对三种燃料缸内气体压力和温度以及排放随曲轴转角的变化规律进行研究,获取了不同燃料缸内气体压力和温度随曲轴转角的变化关系,获取了不同燃料NOx、CO、CO2的排放分布规律。并将含水乙醇汽油的仿真结果与汽油仿真结果进行对比,分析其原因,得出了有现实意义的结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 课题提出的背景
• 1.1.2 课题提出的意义
• 1.2 内燃机燃料及内燃机仿真研究现状
• 1.2.1 内燃机燃料发展现状
• 1.2.2 内燃机仿真软件研究概况
• 1.3 内燃机燃烧模型及模拟计算方法概述
• 1.3.1 三种模型的发展和概况
• 1.3.2 网格划分
• 1.3.3 数值计算方法简述
• 1.4 本论文主要研究工作
• 1.5 本章小结
• 2. KIVA-3V 程序基本理论及运行方法
• 2.1 控制方程和数学模型
• 2.1.1 质量守恒方程
• 2.1.2 动量守恒方程
• 2.1.3 能量守恒方程
• 2.1.4 状态方程
• 2.1.5 湍流模型
• 2.1.6 化学守恒方程
• 2.1.7 KIVA-3V 中的传递系数
• 2.2 喷雾模型和方程
• 2.3 氮氧化物生成模型
• 2.4 边界条件
• 2.5 数值方法
• 2.6 前处理
• 2.7 主程序
• 2.8 后处理
• 2.9 本章小结
• 3 汽油机燃烧过程仿真
• 3.1 燃烧室网格的生成
• 3.1.1 发动机燃烧室和燃料的主要参数
• 3.1.2 燃烧室和活塞凹坑轮廓图
• 3.1.3 汽油机燃烧室网格生成
• 3.2 计算结果与对比分析
• 3.2.1 三种燃料缸内平均压力及平均温度对比
• 3.2.2 三种燃料 NOx 与CO 排放对比
• 3.2.3 缸内点火燃烧过程模拟
• 3.3 模型验证
• 3.4 本章小结
• 4 三种燃料在JL368Q 汽油机上的变参数研究
• 4.1 点火提前角对汽油机燃烧过程主要性能的影响
• 4.1.1 燃烧汽油时点火提前角对最大爆发压力Pmax 和最高燃烧温度Tmax 的影响
• 4.1.2 燃烧E50W 时点火提前角对最大爆发压力Pmax 和最高燃烧温度Tmax的影响
• 4.1.3 燃烧汽油时点火提前角对NOx 和CO 的影响
• 4.1.4 燃烧E50W 时点火提前角对NOx 和CO 的影响
• 4.2 涡流比对汽油机燃烧过程主要性能的影响
• 4.2.1 燃用不同燃料时涡流比对缸内压力的影响
• 4.2.2 燃用不同燃料时涡流比对缸内温度的影响
• 4.2.3 燃用不同燃料时涡流比对缸内最高爆发压力的影响
• 4.2.4 燃用不同燃料时涡流比对NOx 的影响
• 4.2.5 燃用不同燃料时涡流比对CO 的影响
• 4.2.6 燃用不同燃料时涡流比对C02 的影响
• 4.3 燃用不同燃料时负荷对燃烧过程的影响
• 4.3.1 燃烧不同燃料时负荷对最大爆发压力Pmax 和最高燃烧温度Tmax 的影响
• 4.3.2 燃烧不同燃料时负荷对NOX 的影响
• 4.3.3 燃烧不同燃料时负荷对CO 的影响
• 4.3.4 燃用不同燃料时负荷对C02 的影响
• 4.4 本章小结
• 5 全文总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录