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燃烧室形状和喷气时刻对cng发动机燃烧影响的研究

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燃烧室形状和喷气时刻对CNG发动机燃烧影响的研究

作者：李浩荡吉林大学

学位级别：硕士

随着能源问题的出现与排放法规的日益严格,从燃烧过程入手来改善发动机的性能变得尤为重要。为探索稀薄燃烧规律及其对cng发动机燃烧稳定性和发动机性能的影响,以提高cng发动机的燃烧速度,扩展其稀燃极限,本文针对CA6SE1-21N增压cng发... 详细信息

随着能源问题的出现与排放法规的日益严格,从燃烧过程入手来改善发动机的性能变得尤为重要。为探索稀薄燃烧规律及其对cng发动机燃烧稳定性和发动机性能的影响,以提高cng发动机的燃烧速度,扩展其稀燃极限,本文针对CA6SE1-21N增压cng发动机进行了燃烧室形状和天然气喷射时刻对发动机燃烧、排放影响的试验与数值模拟研究。试验结果表明,燃烧室形状对cng发动机的动力性、经济性及排放性能有较大的影响;采用几何结构变化较大的缩口形燃烧室时,发动机性能得到明显改善;适当推迟cng喷气时刻有利于缩短延迟期,提高燃烧稳定性。本文利用商用计算流体力学软件STAR-CD对该发动机的进气、压缩及燃烧过程进行了数值模拟;着重分析了发动机工作过程中缸内速度场、湍流动能、浓度场、温度场和NO浓度场的分布规律,得出了燃烧室形状与喷气时刻对cng发动机性能的影响规律: a.缸内流动可以分为大幅度掺混和弱流动混合两个阶段。采用螺旋进气道、平缸盖时,在压缩后期逐渐形成强涡流、低滚流的刚性涡。点火时刻火花塞处较低湍流动能,有利于形成稳定的火核。 b.燃烧过程中火焰呈现边随涡流旋转边球形扩散的形状,火花塞始终处于高温区内;火焰前锋面处的温度高,NO浓度较大。 c.缩口或几何结构变化较大的燃烧室形状能产生较强的湍流,使得火焰传播速度显著提高,特别是急燃期内放热率大,有利于提高cng发动机燃烧的定容性,从而提高发动机热效率。 d.在采用原天然气喷气时刻时,缸内混合气浓度场呈现为自上而下由稀到浓的逆分层分布,这种逆分层浓度场不利于稀燃天然气发动机稳定燃烧。模拟计算发现合理推迟天然气喷气时刻,可以实现气缸内混合气自上而下由浓到稀的弱分层,实现分层燃烧;当喷气时刻由进气上止点推迟到上止点后60OCA时,燃烧室底部的过量空气系数由1.1～1.2变化到1.8左右;而火花塞附近的过量空气系数由2变化到1.3左右。进一步的试验表明,适当推迟天然气喷气时刻,可以提高缸内最大压力和压升率,缩短主燃期和滞燃期,提高燃烧速度,减小燃烧循环变动,提高燃烧的稳定性,使发动机性能得到改善。

关键词： cng发动机燃烧室形状喷气时刻数值模拟燃烧

缸内直喷cng发动机燃烧特性的数值仿真研究

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缸内直喷CNG发动机燃烧特性的数值仿真研究

作者：汤雪林吉林大学

学位级别：硕士

天然气因资源丰富、燃烧清洁的特点作为车用发动机代用燃料为解决内燃机行业发展面临的传统燃料匮乏、环境恶化等问题提供新的方向。随之带来的有关天然气的发动机技术也得到飞速发展,但作为气体燃料,天然气发动机动力性欠佳等缺点还有... 详细信息

天然气因资源丰富、燃烧清洁的特点作为车用发动机代用燃料为解决内燃机行业发展面临的传统燃料匮乏、环境恶化等问题提供新的方向。随之带来的有关天然气的发动机技术也得到飞速发展,但作为气体燃料,天然气发动机动力性欠佳等缺点还有待彻底解决。本文基于光学样机燃烧过程可视化研究结果和2.0TCI直喷柴油机基本参数建立缸内直喷cng发动机的三维数值仿真计算模型,深入研究不同双点点火位置和双点点火正时下缸内直喷cng发动机缸内速度场、浓度场、压力场、火焰传播特性、温度场及NO生成速率的变化规律,分析不同双点点火方式对发动机燃烧过程和排放的影响,然后研究不同转速下采用双点点火方式时cng发动机燃烧过程与NO排放的变化趋势,为加强cng发动机燃烧性能和改善排放提供有效途径。研究表明:采用双点点火时能明显缩短混合气的燃烧时间,但不同双点点火方式下两点点火后混合气燃烧过程相互影响程度不一样,在造成对混合气燃烧过程和NO排放的影响不同。(1)增大双点点火相对位置能加快整个燃烧室火焰的传播,燃烧放热更集中,缸内平均压力升高率增加,但高温区域持续时间长,NO排放增加。(2)针对改变双点点火正时,提前第一点点火时刻时混合气燃烧提前,但放热规律和缸内平均压力升高率变化不明显;又因为高温度区域持续时间不变,NO生成持续期变化不明显,NO最终排放量几乎没有变化;而滞后第二点点火时刻时整体火焰传播速率降低,放热规律重心和最高爆发压力出现时刻滞后,且高温度场建立滞后导致NO生成持续时间缩短,NO最终排放量有显著降低。(3)转速增加时混合气各种流场分布向不均匀化发展,不利于火焰的稳定传播,但采用双点火方式时混合气燃烧时间非常短暂,因此改变转速对cng发动机燃烧的稳定性影响不大,但转速增加时满足NO生成的温度场和浓度场绝对持续时间缩短,NO最终排放量大幅度降低。(4)在总结NO生成速率的变化规律得出温度一定时,当量比在0.93至0.97附近时NO生成速率最高;浓度一定时,NO生成速率首先随温度增大而升高,当温度高于2700K时受温度的变化影响比较小。

关键词： cng发动机双点点火缸内直喷火焰传播特性转速 NO生成

基于dSPACE的预测算法在cng发动机空燃比控制中的应用研究

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基于dSPACE的预测算法在CNG发动机空燃比控制中的应用研究

作者：花志远合肥工业大学

学位级别：硕士

天然气作为一种新型清洁能源，是发动机的理想代用燃料。由于天然气发动机的动力性、经济性和排放性与空燃比密切相关，因此空燃比控制仍是天然气发动机控制中的主要内容。由于发动机中各子系统和发动机循环本身固有的多种时延的存... 详细信息

天然气作为一种新型清洁能源，是发动机的理想代用燃料。由于天然气发动机的动力性、经济性和排放性与空燃比密切相关，因此空燃比控制仍是天然气发动机控制中的主要内容。由于发动机中各子系统和发动机循环本身固有的多种时延的存在，气缸内空燃比的检测存在传输延迟。发动机还是一个具有很强的非线性和多扰动性的系统，其工作时的各种参数随着输出功率、转速及环境的变化而变化。预测控制采用了预测模型进行多步预测、动态优化、反馈校正等策略，可以充分利用发动机不同工况的动态特性各自的特点进行最优控制，从而使控制效果优于经典的反馈控制系统。本文首先建立了基于MicroAutoBox的cng发动机空燃比控制系统基本硬件平台，然后利用MATLAB/Simulink建立了cng发动机的控制模型，包括喷气控制策略模型、点火控制策略模型以及电子节气门控制模型，并利用此模型实时控制cng发动机的运行，为预测算法的实施提供基本的运行环境。针对天然气发动机本身的非线性特点和空燃比传输延迟的特性，本文分别以受控自回归积分滑动模型（CARIMA）和神经网络模型作为预测模型，设计了两种空燃比的预测控制策略。利用MATLAB/Simulink建立控制器的算法模型，并将其嵌入到cng发动机的控制模型中，以dSPACE公司的MicoAutoBox为算法实施平台，在NQ150N型天然气发动机上进行了实验测试。实验结果表明，与普通PID控制算法相比，两种预测控制算法稳态性能优良，能明显改善过渡工况空燃比的控制效果，从而提高了系统稳态工况下的抗扰动能力和瞬态工况下的动态性能。

关键词：广义预测控制神经网络预测控制空燃比 dSPACE cng发动机

基于宽域氧传感器的cng发动机空燃比自学习控制策略研究设计

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基于宽域氧传感器的CNG发动机空燃比自学习控制策略研究设计

作者：孟武强西华大学

学位级别：硕士

在车用发动机电控燃油喷射系统中,为了提高三元催化器的转换效率以充分净化排气来满足日益严苛的排放法规,普遍采用的策略是借助安装在排气管中的废气氧传感器来获得排气中氧含量的反馈信号,以实现对喷油脉宽的闭环修正,使实际空燃比尽... 详细信息

在车用发动机电控燃油喷射系统中,为了提高三元催化器的转换效率以充分净化排气来满足日益严苛的排放法规,普遍采用的策略是借助安装在排气管中的废气氧传感器来获得排气中氧含量的反馈信号,以实现对喷油脉宽的闭环修正,使实际空燃比尽可能地靠近理论空燃比,即空燃比的闭环控制。同时,在车辆的行驶过程中,随着发动机使用时间的增长,空气系统或供油系统会发生磨损、疲劳、老化,这又会造成实际空燃比相对于理论空燃比的偏离不断增大。鉴于此,传统的发动机控制策略是通过引入基于开关型氧传感器空燃比自学习控制算法和闭环PI调节来对喷油脉宽进行补偿,以实现空燃比的高精度控制。但是由于传统氧传感器可检测的范围较窄和其输出信号的“开关”特性,决定了在空燃比控制过程中,ECU只能根据氧传感器输出的信号逐步增加或者减少燃料喷射的脉宽,直到混合气浓度达到理论空燃比。采用传统氧传感器时空燃比的控制过程较慢,使得发动机的瞬态响应较差,也无法进一步改善排放。对增压稀燃cng发动机来说,普通的开关型氧传感器更是不能满足宽范围空燃比闭环控制的要求,因此,本文在试验用的增压稀燃cng发动机上采用了基于宽域氧传感器的空燃比自学习控制算法。因为宽域氧传感器能够提供可燃混合气不同混合状态时的准确空燃比反馈信号给发动机电子控制单元,所以在此基础上设计开发的空燃比自学习控制算法能够有效地补偿发动机因磨损、老化等原因造成的空燃比的较大漂移。本文的研究工作是“代用燃料汽车专用装置关键技术开发”项目中的一部分内容,该项目为国家高技术研究发展计划(863计划),并且以朝柴CY4102增压中冷柴油机为原型机,开展了cng发动机电子控制理论和关键技术的研究工作。本文在前期课题所开发的增压稀燃空燃比闭环控制系统的基础上设计出了基于宽域氧传感器的空燃比自学习控制算法。通过闭环控制和自学习控制的共同作用,可以实现对空燃比更为精确的控制,以达到进一步改善电控cng发动机排放性能和经济性能的目的。

关键词： cng发动机宽域氧传感器空燃比控制自学习控制

YC6MK375N-30型cng发动机活塞热—机耦合分析与疲劳寿命预测

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YC6MK375N-30型CNG发动机活塞热—机耦合分析与疲劳寿命预测

作者：田城武汉理工大学

学位级别：硕士

活塞是发动机的核心运动件,其在运行过程中受到高温燃气的热载荷导致活塞顶部温度较高,而活塞裙部和底部温度相对较低,由于温度梯度的存在而产生了热应力,与此同时,活塞在工作过程中受到周期性变化的燃气压力、往复惯性力、侧推力及摩... 详细信息

活塞是发动机的核心运动件,其在运行过程中受到高温燃气的热载荷导致活塞顶部温度较高,而活塞裙部和底部温度相对较低,由于温度梯度的存在而产生了热应力,与此同时,活塞在工作过程中受到周期性变化的燃气压力、往复惯性力、侧推力及摩擦力等机械载荷的作用,容易产生机械应力。在这双重因素的作用下,活塞容易产生烧顶、开裂、疲劳失效等现象。本文以YC6MK375N-30型天然气发动机的活塞为研究对象,基于有限元分析理论运用ansys软件仿真计算获得整个活塞的温度场分布,进一步考虑活塞受到的机械负荷分析了活塞的耦合应力分布,最后基于疲劳分析理论运用ncode designlife软件仿真预测了活塞的疲劳寿命。主要内容包括以下几个方面： (1)运用UG NX软件建立活塞的三维模型,导入ansys workbench进行网格划分,运用相关的经验公式计算求得活塞的热边界条件,然后运用测量的温度值对热边界条件进行修正,通过不断修正求解,最终即可获得较为准确的活塞温度场分布结果。 (2)在获得活塞温度场的基础上进一步仿真计算求得活塞的热应力分布情况,同时考虑活塞受到的机械负荷。运用序贯耦合法,将机械负荷和热负荷进行耦合分析,即可仿真得到活塞的热-机耦合应力分布,并对仿真结果进行分析研究。 (3)将活塞热-机械耦合有限元仿真结果导入到专业的疲劳分析软件ncode designlife中,设置在标定工况下的载荷谱和活塞材料的S-N曲线,同时设置相关的疲劳仿真参数,运行疲劳仿真即可得到活塞的疲劳寿命仿真结果,并对仿真结果进行分析。

关键词： cng发动机活塞温度场热-机耦合分析疲劳寿命

基于dSPACE的单燃料cng发动机电控单元设计

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基于dSPACE的单燃料CNG发动机电控单元设计

作者：曹姜合肥工业大学

学位级别：硕士

作为一种新型的清洁能源,天然气已经在各个行业被广泛使用,尤其是汽车行业。天然气发动机类型主要有两种,即单燃料天然气发动机和两用燃料天然气发动机。随着现代控制技术的发展,发动机的空燃比和排放等控制需求也越来越严格,因此,开发... 详细信息

作为一种新型的清洁能源,天然气已经在各个行业被广泛使用,尤其是汽车行业。天然气发动机类型主要有两种,即单燃料天然气发动机和两用燃料天然气发动机。随着现代控制技术的发展,发动机的空燃比和排放等控制需求也越来越严格,因此,开发具有市场竞争力的cng发动机电子控制单元成为了当前的一大热点。’ 面对越来越复杂的电控单元系统,传统的ECU开发方式存在着周期长,成本高,压力大的缺点,尤其对于高度复杂的、非线性的发动机控制单元设计而言,不论是软件开发还是测试都变得愈加困难。本文使用MATLAB/Simulink软件与dSPACE系统的RTI模块相结合,建立单燃料cng发动机快速控制原型,以模块框图化的形式实现了cng发动机的控制算法设计。主要设计了：针对天然气发动机空燃比控制的,基于宽域氧传感器的闭环和自学习控制策略;基于转速反馈的点火提前角自动标定系统;cng发动机恒转控制算法;针对不同负荷下转速与节气门的关系进行了传递函数的辨识,并且进行了反馈PID仿真控制研究。在对博世LSU4.2宽域氧传感器工作原理分析的基础上,设计的基于宽域氧反馈的空燃比PID闭环和自学习控制策略,实现对空燃比的有效控制,并且帮助喷气MAP的标定,标定者不需要对每一个工况点进行非常精确的标定,在发动机工作时依靠闭环和自学习就可以将喷气脉宽调整到合适的值,节省喷气MAP标定时间,同时也可以弥补发动机磨损老化造成的空燃比偏移;基于转速反馈的点火提前角标定系统可以帮助点火MAP的标定;发动机恒转控制系统是为扩大控制系统的适用性,采用PID控制策略通过实时调整节气门开度使转速始终稳定在设定目标值附近;基于模型的节气门和转速反馈PID控制仿真研究是预先辨识出不同负荷下的转速与节气门的传递函数,然后建立反馈PID控制模型,这样就可以方便的进行PID参数的整定。

关键词：空燃比点火提前角恒转控制 dSPACE cng发动机

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cng发动机等离子助燃数值模拟

南方农机 2018年第14期49卷 38-40页

作者：张梦圆王秦燕彭杨茗合肥工业大学汽车与交通工程学院安徽合肥230009 东风汽车集团股份有限公司技术中心湖北武汉430100

文章针对cng发动机仍存在较难控制燃烧相位和极限工况下燃烧不理想等问题,重点研究等离子体强化发动机的燃烧过程。利用CHEMKIN软件多区模型,基于详细的化学反应机理GRI-MECH 3.0,探究不同等离子体和添加臭氧对甲烷燃烧过程的影响规律... 详细信息

文章针对cng发动机仍存在较难控制燃烧相位和极限工况下燃烧不理想等问题,重点研究等离子体强化发动机的燃烧过程。利用CHEMKIN软件多区模型,基于详细的化学反应机理GRI-MECH 3.0,探究不同等离子体和添加臭氧对甲烷燃烧过程的影响规律。结果表明:等离子体可有效缩短点火延迟时间,自由基O的助燃效果更明显,0.5%O浓度条件下,可使点火延迟时间提前12.4°CA,燃烧最高温度上升182.01K,增加自由基浓度对燃烧反应的影响不大。此外,添加臭氧可使燃烧过程中自由基O的生成使反应提前,且随着臭氧浓度的增大强化作用增强,但增强幅度逐渐降低。

关键词： cng发动机等离子体助燃数值模拟