沼气发动机进气均匀性数值分析.pdf

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1、第26卷2010年第8期8月农业工程学报TransactionsoftheCSAEVbl．26No．8Aug．2010145沼气发动机进气均匀性数值分析张强1，李娜2(1．山东大学能源与动力工程学院，济南250061；2．济南大学机械-12程学院，济南250022)摘要：开发大功率气体燃料发动机，利用沼气等绿色能源发电已经成为当前内燃机行业发展的蘑要课题之一。气体发动机对各缸进气均匀性的要求较高，气体发动机经常出现各缸进气不均匀的现象，从而影响发动机的动力性、排放性和可靠性。该研究利用数值分析方法求解，模拟CW6200型气体发动机进气系统内的流动情况，通过分析流动区域的

2、压力场、速度场等参数对各缸进气均匀性进行了评价，同时分析了进气系统的流动阻力，优化设计了发动机的进气系统结构参数。数值分析及发动机性能试验表明：采用两级谐振系统后各缸流动不均匀性绝对值小于3％，各缸排温不均匀性绝对值小-f．2．5％，发动机动力性较好。因此，两级谐振系统盯以有效改善进气总管预混式气体发动机的进气均匀性，提高发动机性能。关键词：气体发动机，数值分析，进气系统doi：10．3969／j．issn．1002—6819．2010．08．025中图分类号：TK421．5文献标识码：A文章编号：1002—6819(2010)一08-0145—05张强，李娜．沼气发动

3、机进气均匀性数值分析[J]．农业工程学报，2010，26(8)：145—149．ZhangQiang，LiNa．Numericalanalysisofintakeuniformityofbiogasengine[J】．TransactionsoftheCSAE，2010，26(8)：145—149．inChinesewithEnglishabstract)0引言随着世界经济的发展，环境问题和能源问题日益受到人们的季视，开发大功率气体燃料发动机、利用沼气等绿色能源发电已经成为当前内燃机行业发展的蓖要课题之一，正受到世界各国前所未有的重视【l巧】。中国科技部农村科技司将沼气

4、发电机组作为“十一五”国家科技支撑计划重大项目重点推广。目前国内气体燃料发动机大部分是在原柴油机的基础．卜改装而成。由于气体燃料发动机对各缸进气均匀性的要求较柴油机高，而进气系统的结构参数直接影响各缸进气均匀性，因此发动机在改装后经常出现各缸进气不均匀的现象，影响发动机的动力性、排放性和可靠性。目前计算流体力学(computationalfluiddynamic，CFD)已经成为进气过程设计的重要辅助手段，数值模拟的结果可以为进气系统的优化设计提供重要的理论依据16]。国内外学者利用CFD作为辅助工具对进气系统进行一系列研究，计算及试验结果表明：入口端布置在进气总管的中

5、间部位能够大幅度的提高进气的均匀性，更有利于提高发动机进气和燃烧的质量【7】；气体流动的压力损失主要发生在稳压腔和支管的连接处[S-10]；合理设计谐振腔可以提高各缸充量的均匀性，谐振腔内的低频波动受进气管气体流动分离的影响[11-121；合理设计进气歧管的长度可以提高发动机的充气系数及动力性盼14】；缩短进气支管长度，谐振频率增加，减小谐振箱容积，进气系统收稿日期：2009—12．17修订日期：2010-08-13基金项目：国家科技支撑计划资助项目(2008BAD'B!I)作者简介：张强(1973一)，男，山东青州人，博士．主要从事气体燃料发动机的研究。济南山东大学能

6、源与动力工程学院，250061。Email：sduzq01@163．oonl中的压力波动增强【l弘161。本文对Cw6200型大功率气体燃料发动机的进气管及进气道内的流场进行了三维数值计算，模拟了不同结构进气系统的气流运动情况，对影响进气均匀性的因素进行了理论分析，提出了改善进气均匀性的方法，优化设计了发动机的进气管。1问题的提出和数学模型1．1问题的提出课题在Cw6200型柴油机的基础上开发大功率沼气发动机。为防止由于进气层流现象导致空气和沼气混合不充分，进而引起点火困难、燃烧速度变慢、排温升高、燃料利用率下降等一系列问题，选择沼气和空气在增压器前混合的进气方式。采用

7、这种进气方式空气和沼气的混合时间长，同时可以利用压气机叶轮的搅动使沼气和空气混合充分，可有效改善燃烧效果。初步试验表明：原发动机的进气系统存在各缸进气不均匀现象，导致发动机怠速时部分缸不工作及小负荷游车现象；且气门重叠角过大，扫气过程中大量未燃烧的混合气直接进入排气管，造成燃料浪费。为满足沼气发动机的需要，需对原柴油机的进气系统进行重新设计，满足如下3个方面的要求：1)各缸的充气量尽可能均匀，优化计算中要求流动不均匀性的绝对值要小于5％，以保证所标定的混合气浓度参数、点火参数在每缸都具有良好的适用性，各缸的热负荷尽可能均匀；2)进气系统的