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CNG/柴油双燃料发动机进气道优化设计研究

作　者: 王聘玺
导　师: 隗海林
学　校: 吉林大学
专　业: 交通环境与安全技术
关键词: 双燃料发动机 CNG 进气流动正交试验进气道改装
分类号: U464.173
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着汽车工业的快速发展，日益增加的全球汽车保有量，使得对能源的需求及消耗量也日益增大，而世界石油资源紧缺，同时由汽车产业带来的环境污染问题也日益严重，寻找并使用清洁代用燃料已成为汽车工业发展的一个重要途径。CNG（压缩天然气）以其资源丰富、辛烷值高、污染小、技术成熟等优点成为汽车代用燃料的首选。在日益严格的汽车排放法规和燃油经济性的要求下，国内外NG汽车发展迅速，对NG发动机的进气过程，燃烧机理、优化结构和工作过程以及排放技术等方面的研究已成为当前的热点。为了节约发动机的改装成本，提高气体燃料混合气的混合质量，本文采用缸外混合的进气方式，将一汽-大柴发动机的进气道进行改装设计成CNG/柴油双燃料发动机的进气道，并使用AVLFIRE评价经过改装设计后的进气道的进气性能。进气道的进气性能，直接影响到气缸内的气体流量、涡流和湍流状况及速度分布等特性，而这些特性很明显地影响着发动机的燃烧过程，从而对发动机的经济性、动力性和排放性起着决定性的影响，是发动机设计的关键技术指标之一。而利用CFD技术，研究发动机内的气体流动状况是目前的研究热点。采用三维数值模拟的方法对进气道的进气流动状态进行仿真，可以获得综合评价指标，流量系数和涡流比，并得到进气道及气缸内部的微观流场，为发动机进气道结构参数的优化设计提供重要的依据。本文为了验证使用AVL FIRE模拟进气流动的有效性，先在气道稳流试验台上完成稳流试验，测得实验数据，并依此计算出用以评价进气性能的两个指标，流量系数和涡流比。然后通过三维坐标扫描仪和逆向工程软件相结合的方式，建立进气道几何模型，并保存成STL面网格文件，使用AVL FIRE对该进气道模型进行数值模拟，得出仿真结果，将其与稳流实验结果进行比较，验证其模型及AVL FIRE模拟进气流动的有效性。本文通过大量的文献阅读和经验积累，选取CNG喷气阀到进气道出口轴线间距离、喷射压力、喷射角度及喷气阀口径四个因素为影响预混合式双燃料发动机进气性能主要因素。而这四个因素每个因素有3个水平，要完全进行仿真分析，需要完成81组试验，本文为了减少试验次数，提高试验效率，采用了正交试验设计的方法，设计了9组试验方案。利用AVL FIRE模拟完成正交试验设计方案中的9组试验，分析其CNG的喷射状态以及缸内流场状况，并得到其对应的进气性能的评价指标，流量系数和涡流比，采用综合平衡法完成对各方案、各因素、各水平的评价，选出将柴油机进气道改装成CNG/柴油双燃料发动机进气道的最优设计方案。为了验证最优的设计方案，本文利用了AVL FIRE对其进气性能进行评价。通过对该方案轴向流场分布规律、相同截面位置随升程变化的流场分布规律的分析，同时结合仿真所得到的各升程条件下2D Result中流量系数和涡流比，据此可评价方案中由柴油机改装的CNG/柴油双燃料发动机进气道的进气性能。最后将流量系数和涡流比与原有柴油机进气道的相同指标进行对比评价。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-20
  1.1 引言  10-11
  1.2 天然气  11-13
    1.2.1 天然气物理化学特性  11-13
  1.3 天燃气汽车应用现状  13-16
    1.3.1 国内外天然气汽车应用现状  13-14
    1.3.2 天然气汽车发动机的供气方式  14-16
  1.4 国内外研究现状  16-18
    1.4.1 国外研究现状  16
    1.4.2 国内研究现状  16-18
  1.5 本文的研究内容  18-20
第2章 CFD 进气模拟的数学模型  20-32
  2.1 气体运动控制方程  20-24
  2.2 k 湍流模型  24-25
  2.3 有限容积法  25-27
  2.4 SIMPLE 算法  27-32
第3章进气道稳流试验及其数值模拟  32-44
  3.1 稳流试验台架结构  32-34
  3.2 进气道流动特性的评价方法  34-37
    3.2.1 流量系数  34-35
    3.2.2 涡流比  35-37
  3.3 试验方法  37-38
    3.3.1 试验评价指标  37
    3.3.2 稳流试验结果  37-38
  3.4 进气道稳态流动的数值模拟  38-42
    3.4.1 建立几何模型  38-39
    3.4.2 划分网格  39-40
    3.4.3 稳流试验的数值模拟及分析  40-42
  3.5 本章小结  42-44
第4章 CNG/柴油双燃料发动机进气道优化试验方案设计  44-50
  4.1 正交试验设计  44-46
    4.1.1 正交表及其用法  44-45
    4.1.2 正交试验的设计步骤  45-46
    4.1.3 极差分析  46
  4.2 柴油/CNG 双燃料发动机进气道优化试验方案设计  46-47
  4.3 双燃料发动机进气道设计方案  47-48
  4.4 本章小结  48-50
第5章双燃料发动机混合气流动数值模拟  50-66
  5.1 双燃料发动机混合气流动数值模拟  50-51
    5.1.1 CNG 喷射求解器参数设置  50-51
  5.2 喷射压力对喷雾特性的影响  51-53
  5.3 双燃料发动机进气流场分析  53-54
  5.4 优化试验设计结果分析  54-58
    5.4.1 优化试验设计结果  55-57
    5.4.2 改装后的进气道装置  57-58
  5.5 CNG/柴油机双燃料发动机进气性能评价  58-61
    5.5.1 轴向分布规律  58-59
    5.5.2 相同截面位置流线随升程变化的分布规律  59-60
    5.5.3 CNG/柴油双燃料发动机进气道进气性能评价  60-61
  5.6 双燃料发动机进气道优化  61-63
  5.7 本章小结  63-66
第6章全文总结及展望  66-68
  6.1 全文总结  66-67
  6.2 展望  67-68
参考文献  68-72
致谢  72

CNG/柴油双燃料发动机进气道优化设计研究

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