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内燃机燃烧模拟理论与应用研究

孙俊  
【摘要】: 要在越来越高的燃油经济性指标和严格的排放法规的限制下,设计出性能优越,具有市场竞争力的内燃机,成为世界各国的内燃机专家和设计师们面临的一个严峻的挑战,研究内燃机控制排放和提高经济性能的技术,第一步就是要了解内燃机燃烧过程。本文就是利用计算机仿真技术对内燃机燃烧过程进行研究,对柴油机使用可变组分空气的燃烧特性和双燃料发动机复合燃烧特性进行了数值仿真实验和台架实验研究,主要内容如下: 总结了内燃机燃烧计算机仿真的一般过程,然后依照此过程对内燃机燃烧过程进行计算机仿真研究。 总结了包括基本控制方程和状态方程、湍流流动模型、燃油喷雾模型、湍流燃烧模型、燃烧化学动力学模型、排放模型、缸内传热模型和初始条件和边界条件等在内的较为完整的内燃机缸内过程的三维数学模型的研究成果,上述控制方程和子模型完整地构成了内燃机燃烧过程的数学模型,是内燃机燃烧模拟的理论基础。 论述了内燃机燃烧过程各数学模型的数值求解方法,在消化、吸收和借鉴KIVA程序的基础上,编制了一个完整的包括内燃机缸内过程基本数学模型的仿真程序,并用KIVA的标准算例进行了验证,实现了内燃机燃烧模拟程序编制,为下面进行新型燃烧方式和各种清洁代用燃料发动机的燃烧过程仿真计算建立了仿真平台。 建立了柴油机使用可变组分空气的燃烧模型,该模型主要包括:设计了一个能够自动判断发火网格单元的标准,能够自动寻找发火单元:采用特征时间模型模拟燃烧过程,其中化学动力学模型采用Westbrock CK等人提出的四步反应机理模拟燃料的氧化(燃烧)替代原来的一步反应机理;采用扩充的Zeldovich机理模拟NO的形成; 设计了利用分子筛制取高压富氮空气(NEA)的装置,对空气组份发生变化对柴油机NO排放的影响进行了实验和仿真计算,验证了柴油机NO排放生成机理,认为NO的生成量主要受高温、富氧和高温持续时间等条件的综合作用:在柴油机中高负荷,利用NEA技术对降低柴油机NO排放是有效的,而且NEA中N_2的浓度不需要太高,同时,发动机经济性和动力性有所下降.CO及PM排放有所增加,须根据发动机的工况,优化NEA浓度,才有可能取得更好的排放和经济性效果。 建立了双燃料发动机复合燃烧模型.将双燃料发动机的燃烧过程分为三个阶段:低温着火化学动力学反应期、向高温燃烧期过渡期和高温燃烧期,分别采用修正的Shell着火模型、采用Arrehenius形式的平均反应速率方法和基于涡团耗散概念模型的特征时间混合模型来模拟,模型预测的示功图和实验值吻合良好。 对柴油/LPG双燃料发动机的燃烧机理、燃烧过程、着火特性及影响因素、粗暴现象发生机理及影响因素、排放特性和经济性等方面进行了仿真计算和实验研究,获得一些有意义的结论。 整个计算机仿真研究表明,运用计算机仿真技术,对内燃机燃烧过程进行仿真研究,对了解内燃机燃用代用燃料和采用新型燃烧模式的燃烧机理和燃烧规律,从而实现对各种燃烧现象进行分析和预测是有效的。


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