毕业论文--天然气发动机燃烧室形状的优化设计

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1、天然气发动机燃烧室形状的优化设计摘要近年来，以直喷微量柴油的方式引燃天然气实现稀薄燃烧，是高效低污染燃烧模式在船舶动力和发电机组等应用领域的研究热点。这种燃烧方式可以显著提高天然气的利用效率，实现无碳烟、超低氮氧化物（NOx）排放的清洁燃烧。然而，较高的CO、THC（主要是甲烷）排放以及高效率区域的燃烧稳定性控制等难题亟待解决。本文通过计算流体动力学（CFD）与详细化学反应机理的耦合，建立柴油喷射微引燃天然气发动机的仿真模型。利用实验数据标定仿真模型使之准确后，通过喷油与燃烧室优化匹配的策略探索控制CO与HC排放，

2、减少传热损失以提高热效率，为发动机燃烧系统设计与优化提供理论基础。研究结果表明：通过多目标优化得到的Deep型燃烧室可以有效降低HC和CO排放，同时提高发动机的热效率，并保持NOx不会出现恶化现象。关键词天然气；微引燃；数值模拟；燃烧室优化0前言船舶领域中大量使用柴油机作为动力源[1]。国际海事组织（InternationalMaritimeOrganization，简称IMO）先后推出了IMOTier系列排放法规，不断强化对船用柴油机尾气（特别是氮氧化物(NOx)和碳烟(Soot)）排放的控制[2]。因此，寻求更

3、为清洁的船用柴油机代用燃料和更为高效清洁的燃烧方式，已经成为当今内燃机和燃烧学界的研究热点之一。近年来，全球对于天然气的开采量不断攀升，成为继煤和石油之后世界第三大石化能源，有望成为21世纪的主导能源之一[3-5]。天然气的主要成分为甲烷(CH4)。与传统汽、柴油相比，天然气的氢、碳原子比高，燃烧时排放的二氧化碳(CO2)少；天然气抗爆性好，发动机可以采用更大的压缩比以提高燃烧效率；天然气的可燃混合气着火界限宽，更加适合采用稀薄燃烧技术提高发动机的热效率。国内外对于天然气发动机的研发已经开展了大量卓有成效的工作。目

4、前，应用较多的是在汽油机的基础上，保持原有供油系统不变，增加一套压缩天然气的供给装置。这种改制方式较为简单，与原汽油机相比具有明显的价格与排放优势，主要在出租车行业有较为广泛的应用[6-7]。但这种汽油-天然气两用燃料发动机基于原机设计方案，诸如压缩比、进排气道、燃烧室型式及点火系统，都没有针对性的优化调整与设计[8]。因此，两用燃料发动机并没有充分发挥天然气的燃料优势，动力性能下降明显[9]。因此，基于压燃式发动机的本体结构和双燃料工作方式，将微量柴油喷入缸内引燃稀薄天然气，称之为柴油微引燃天然气发动机。日本三菱

5、重工采用了预燃室引燃方式，即在预燃室内喷入约为发动机投入总热量1%的微量柴油，利用柴油的自着火来点燃副室中天然气可燃预混合气，产生的火焰进而喷入主燃烧室内点燃天然气的稀薄预混合气[10]。引燃用柴油虽然量少，但其释放的热量约为火花塞点火能量的数千倍，可以实现更为稳定的着火源。日本三井造船开发了直喷微引燃技术，并成功应用在其MD-G系列燃气发动机上。与预燃室微引燃方式相比，直喷微引燃发动机燃烧室结构更为简单，起动更为迅速[11]。柴油微引燃天然气发动机可以有效降低NOx和Soot排放，但同时会产生较高的未燃碳氢(TH

6、C)和一氧化碳(CO)排放[12-16]。Ishiyama等人研究了柴油喷射时刻对微引燃天然气发动机排放性能的影响[17]。研究结果表明：-20°至-10°CAATDC的柴油喷射时刻将有利于减少发动机的HC排放；而较早的柴油喷射时刻（-35°CAATDC）有利于减少NOx排放，但会增加HC的排放。Tomita等人研究了废气再循环（ExhaustGasRecirculation,EGR）和进气增压对于柴油-甲烷双燃料发动机燃烧与排放特性的影响[18-19]。研究发现：增加柴油引燃喷射量会导致NOx排放的上升。此外，通

7、过提高进气压力来降低甲烷当量比，有利于减少NOx排放，但是会引发HC和CO的增加，从而导致热效率降低。增加EGR率可以有效降低NOx排放和缸内压力升高率，同时HC和CO也可以维持相对较低的水平。但是当EGR率过大时，会对发动机的热效率产生严重影响从而增加HC和CO的排放量。上述研究大都通过在原柴油机基础上增加天然气供气系统进行实验，分析了柴油微引燃天然气发动机的燃烧放热规律和HC/CO的排放特性。然而，当主燃料为天然气时，原机针对柴油喷雾燃烧优化设计的燃烧室是否仍为最优设计，相关研究鲜有报道。本文将实验测试与数值模

8、拟相结合，基于CFD软件与详细化学反应机理的联合仿真建模，通过柴油喷雾测试数据和发动机台架测试数据对仿真模型进行了准确性标定。通过优化拉丁超立方采样的实验设计与NSGA-Ⅱ多目标优化方法，针对柴油微引燃天然气发动机的燃烧系统，实施燃烧室的改进设计及燃烧室与喷雾形状的优化匹配，以期能同时提高热效率和降低排放。1耦合详细反应机理的发动机三维CFD仿真建模本文在一