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1、华中科技大学硕士学位论文天然气发动机稀薄燃烧试验研究与数值模拟姓名：吴家平申请学位级别：硕士专业：动力机械及工程指导教师：成晓北20090525华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I摘摘 要要 在大气环境污染日益严重，而排放法规日益苛刻的今天，天然气作为一种清洁燃料，已经成为车用发动机未来燃料的首选。合理的采用天然气发动机燃烧控制技术，不但可使天然气发动机保持原有发动机的动力性，而且还能降低成本，提高发动机的经济性。而天然气发动机稀薄燃烧由于其具有排放低、热效率高、经济性好的优点，成为车用发动机首选燃烧方式。 本文针对一台点燃式天然气
2、发动机，分别在最大扭矩工况和标定工况下，进行了台架试验，通过改变点火提前角和空燃比，实测缸内压力示功图、压力升高率，通过压力示功图计算得出缸内平均温度、放热率和累积放热量等反映发动机工作性能的参数，分析这些参数的变化规律，对整机的工作性能进行评估，预判发动机在稀薄燃烧条件下出现失火和功率下降的原因，同时为数值模拟计算提供试验数据。结合实测数据和一维工作过程计算，模拟出发动机的热力循环，为三维数值模拟提供准确的边界条件。从三维数值模拟计算模型和数值计算方法出发，结合缸内气体的湍流流动模型、燃烧模型和排放模型，根据天然气发动机的工作特性，选取合适的计算模型和方法，建立了模拟发动机进气流动、缸内燃烧
3、、排气过程的三维动态网格，模拟计算了完整的工作循环过程，得出发动机在不同曲轴转角下的缸内的流动和燃烧情况，并将模拟结果和试验进行对比，分析天然气发动机稀薄燃烧条件下存在问题的原因，为发动机工作性能的进一步改进优化提供理论依据。 关键词：关键词：天然气发动机 燃烧 流动 三维数值模拟 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIAbstract As the Environmental pollution is becoming increasingly serious and Emission Regulation increasingl
4、y harsh, natural gas as a clean fuel, has become the first choice of alternative fuel for vehicle engine. By using the combustion control technology, the LNG engine not only can keep the power performance, but also reduce costs and improve engine efficiency. The LNG engine lean combustion is the pre
5、ferred manner for Vehicle Engine because of its low emissions, high thermal efficiency and good economics. In this paper, a natural gas SI engine, respectively, working in condition of maximum torque and calibration in the testing by changing the spark advance angle and the air-fuel ratio,to measure
6、 and acquire cylinder pressure indicator diagram and rate of pressure rise, through the pressure indicator diagram calculated the average cylinder temperature, heat release rate and accumulate heat release which can reflect the engine performance, analyse the changes of these parameters and assess t
7、he performance of the whole engine , anticipate the phenomenon of the fire loss and the reasons for the decline in power in lean combustion,at the same time the testing results and datas which can used for the three-dimensional numerical simulation. And then combined with the measured data and calcu
8、lation of the working process of one-dimensional, simulated engine thermal cycle which provide accurate boundary condtion for the three-dimensional simulation.Based on three-dimensional numerical simulation model and numerical method, analyse the turbulent flow, combustion model and emission model l
9、ocated in cylinder, conderating the natural gas engine operating characteristics,select appropriate models and methods of calculation, the three-dimensional dymanic mesh was built to simulate the process of the intake flow, cylinder combustion and exhaust, and the sinmulation calculation was done. s
10、o as to conclude the flow and the combustion status under different crank angle, compared the simulation results and testing results to identify the deficiencies in the process of natural gas engine, to provide the theoretical basis for engine optimization. Key words: Natural Gas Engine Combustion F
11、low Three-Dimensional Numerical Simulation 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均以在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被
12、查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 本论文属于 在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （ 请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导老师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 绪论绪论 1.1 选题背景选题背景 近年来,我国国民经济高速发展，国内汽车保有量不断的增加,车辆排放的尾气严重的污染着大气环境，影响着人们的身心健康，因此，控制车辆有害物的排放已成为当代国人
13、共同关注的问题。于此同时, 全球石油资源分布不均，世界各国石油资源日渐枯竭，于是，替代燃料的研究和运用被提到议事日程。在各种汽车代用燃料中,天然气因具有清洁干净、储量大、热值高、能明显的降低有害废气的排放等种种特点，而且成本相对低廉，被公认为未来车辆发动机的燃料首选。 1.2 天然气发动机的发展概况天然气发动机的发展概况 世界上最早使用的内燃机是气体燃料发动机。1860 年莱诺尔制成了第一台气体燃料发动机。过了 17 年，即 1877 年，奥拓在总结气体燃料发动机生产和使用经验的基础上，发明了汽油机。又过了 17 年，即 1894 年，狄赛尔在煤气机和汽油机的基础上发明了第一台柴油机。所以，在
14、发动机中燃用气体燃料，距今已有 130 多年的历史。 但是，气体燃料发动机始终没有像柴油机和汽油机那样使用得广泛，并且经历了几番波折。由于石油资源的迅速开发和炼油工业的长足发展，以致汽车工业、拖拉机工业和一切运输式发动机几乎都被汽油机和柴油机所占有。 本世纪以来，气体燃料及气体燃料发动机有两次大的发展。第一次是第二次世界大战期间，由于战争对石油资源的过量消耗，使石油及发动机液体燃料供不应求，气体燃料发动机得到迅速的发展。那时除固定式发动机大量燃用各种气体燃料外，运输式发动机也有相当一部分燃料用气体燃料。第二次是 1973 年中东战争和石油危机以后，油价猛涨，石油输出国组织联合起来控制石油的生产
15、、输出和价格，从而使美、日、德等西方国家感到用油骤紧，并且受中东和世界政治、军事的影响，各大国意识到本国的能源供应不能过分依赖中东石油，而应该在战略上追求能源的多元化。与此同时，工业和城市污染日益严重，酸雨频生，人类生存环境日益恶化。其中主要原因之一是汽车和各种动力机械排气污染日趋严重。因而各主要工业国家华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2纷纷制定愈来愈严格的汽车排放标准。这样，气体燃料又重新受到各国政府、学者和企业家的重视。与此同时，城市煤气管道化网络日益普及、气体燃料的供应系统逐步建立和完善，再加上价格上的差别逐步缩小，使气体燃
16、料又重新获得了大规模发展1。 从燃料供给控制技术的发展,我们可以看到天然气发动机的发展过程2。天然气发动机技术的发展大致分为 3 个阶段。第一代技术为发动机化油器技术,它在不改变发动机原有燃烧系统的前提下,加装一套天然气燃料供给系统,利用发动机进气真空度的变化调节天然气的供给量；第二代技术是在上述的基础上, 采用闭环电控技术, 根据安装在排气管上三元催化器前的氧传感器的信号, 通过电控单元控制供给发动机的燃气量,使发动机空燃比保持在理论空燃比附近, 以充分发挥三元催化器的转化效率。第三代技术的主要特征是采用闭环电控喷射和使用天然气燃料专用的催化转换器, 这一技术主要针对的是燃烧单一燃料的天然气发动机。 目前第二代技术在国内仍大量使用。 但是随着国家排放法规严格, 第一代和第二代系统由于在燃料控制的精度上的不足及瞬态的响应上滞后, 无法达到目前要求的排放标准,
