直喷天然气发动机火焰传播特性及氧化氮生成规律研究

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1、—————————————————————直喷天然气发动机火焰传播特性及氧化氮生成规律研究—————————————————————StudyontheFlamePropagationCharacteristicsandNOGenerationPatternofDirectInjectionCNGEngine作者姓名：顾静静专业名称：动力工程及工程热物理指导教师：林学东教授学位类别：工学硕士答辩日期：2015年6月4日摘要直喷天然气发动机火焰传播特性及氧化氮生成规律研究随着我国汽车事业步入高速发展的时期，我国石油对外依赖程度增加，汽车工业开始向低碳化方向发展，天然

2、气因为具有燃烧排放物少，经济性好、抗爆性好，安全性高等优点，成为最受欢迎的汽车代用燃料。因此天然气发动机开始迅速发展，当天然气发动机采用进气道喷射时，充气效率降低，动力性下降，而缸内直喷CNG发动机可以恢复动力性，且具有喷射控制精确等优点，因此天然气发动机缸内直喷化成为目前的发展方向。缸内直喷CNG发动机采用稀薄燃烧技术时，可进一步降低有害排放物，但组织稀薄燃烧时，存在燃烧过程稳定性控制和降低NOx排放的问题。因此本文主要研究缸内直喷CNG发动机稀薄燃烧过程中的火焰传播机理和NO生成规律。一般影响火焰传播速度的主要因素有：过量空气系数、温度、压力和湍流脉动。本文在

3、课题组前期对单缸缸内直喷CNG光学发动机试验研究的基础上，利用三维仿真软件AVL-FIRE建立燃烧系统模型，对其压缩和做功过程进行仿真计算，根据计算的2D结果（燃烧放热率，缸压，湍动能等）和三维微观物理场，分别从宏观和微观角度分析研究当量比、点火方式、喷射时刻、涡流比和燃烧室形状对火焰传播特性和NO生成规律的影响；由此总结火焰传播机理和NO生成条件，为优化燃烧过程和降低NOx排放提供理论依据。研究结果表明：对于缸径较大的天然气发动机，双点点火优于单点点火，双点非同时点火又优于双点同时点火；双点非同时点火时，火焰传播速度与火焰2的压力场对火焰1的推动作用有关，点火的

4、时刻越早，火焰传播速度越快，但NO生成量会增加。缸内直喷CNG发动机组织稀薄燃烧时，当喷射时刻过早时，燃料和空气分层明显，呈云朵状，不利于火焰形成和后续的传播；适当推迟喷射时刻时，缸内混合气分布较均匀；喷射过晚时，缸内形成上稀下浓梯度分布的混合气，有利于提高火焰传播速度和放热速率，NO生成量也得以控制。I燃烧室形状和进气涡流比主要影响缸内的湍流脉动强度。对一定的平均当量比和燃烧室形状，存在最佳进气涡流比；浅盆型燃烧室与直筒型燃烧室相比，放热提前，NO生成量减少，但放热率峰值略有降低。NO生成速率取决于缸内的燃烧温度和混合气的分布情况，且在高温区，NO生成速率对氧浓

5、度很敏感；NO大量生成的温度范围为25502750K左右，当量比范围为0.81.0左右；当当量比和温度偏离最佳当量比和温度范围越多，NO生成速率越低；当当量比大于1.14，或小于0.7，或温度低于1900K时NO几乎不生成；NO生成量取决于NO的生成速率、NO生成反应的持续时间以及反应区域的大小。关键词：直喷CNG发动机，点火方式，喷射定时，物理场，火焰传播机理，NO生成规律IIAbstractStudyontheFlamePropagationCharacteristicsandNOGenerationPatternofDirectInjectionCNGE

6、ngineAstheautomobileenterpriseinourcountrydevelopsrapidly,ourcountryimportsmorepetroleumfromforeigncountriesandlow-carbonbecomesthedirectionoftheautomobileenterprise.NaturalGashasmanyadvantages,suchasloweremissions,bettereconomicalefficiency,betteranti-detonatingquality,bettersecurity

7、andsoon.Soitisthemostpopularautomobilealternatefuel.Asaresult,CompressedNaturalGas(CNG)enginedevelopsquickly.WhenCNGenginechoosestheport-injectionmethod,thevolumetricefficiencywilldeclineandthedynamicwillalsodrop.Howeverdirect-injectCNGenginecanimprovethedynamicandithassomeotheradvant

8、agess