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1、点燃式CNG发动机燃烧过程研究第6期(总第172期)2007年12月车用发动机VEHICLEENGINENo.6(SerialNo.172)Dec.2007点燃式CNG发动机燃烧过程研究王忠恕,刘忠长,窦慧莉,吴晓云.(1.吉林大学汽车工程学院内燃机工程系,吉林长春130022;2.中国第一汽车集团技术中心,吉林长春130000;3.晋柴机械制造有限公司职工培训中心,山西大同O37O36)摘要:利用混合气形成和燃烧三维模型建立了针对cA6SE1__"21N增压点燃式CNG发动机的数值模拟研究平台,并对模型进行了试验验证,同时研究了该发动机混合气形成和燃烧的缸内微观
2、变化历程.验证结果表明,CNG发动机混合气形成及燃烧过程的数值模拟结果和试验结果吻合较好,所选模型适合对CNG发动机进行模拟分析.模拟结果表明,缸内混合气形成可分为大幅度掺混和弱流动混合两个阶段;采用螺旋进气道与平缸盖时,在压缩后期逐渐形成强涡流,低滚流的刚性涡;点火时刻缸内混合气呈上稀下浓的分布,不利于提高点火稳定性和火焰传播速度.关键词:天然气发动机;混合气;燃烧过程;数值模拟中图分类号:TK411.71文献标志码:B文章编号:1001—2222(2007)06—0005—07随着世界能源问题的出现及排放法规的日益严格,世界各国在开发发动机新技术的同时加强了对
3、替代燃料的研究,天然气(NG)以其丰富的储量及地域分布优势而成为最有前途的车用代用燃料,压缩天然气(CNG)发动机得以深入研究和发展_】].在工程实际中,有许多问题是无法通过实际运行来加以研究的,如果采用计算机模拟,则可在抽象的模型上反复进行模拟研究,从而解决试验难以解决的问题l_3..j.对点燃式CNG发动机的缸内混合气形成及燃烧过程进行数值模拟,能够减少试验次数,完善试验方法并指导试验进行,提供试验无法提供的信息,节省研究开发费用;缸内CFD可以提供详尽的微观参数,如通过对湍流动能,混合气浓度场,温度场分析,可找到提高发动机性能的参数_6.].目前,国内外对点
4、燃式CNG发动机的研究不是很多,本研究利用商业流体分析软件STAR—CD建立了针对点燃式CNG发动机的缸内混合气形成及燃烧过程的研究平台,并对典型工况进行了模拟研究.1试验装置本模拟研究针对CA6SE1--21N进气道喷射点燃式CNG发动机进行,此发动机是在CA6DE1—21柴油机基础上开发的,尽量保持与原机零部件通用性,曲轴连杆机构,冷却系统,润滑系统等基本结构保持不变,气缸体,气缸盖仅做局部改进,其主要技术参数见表1.计算所用的燃烧室形状如图1所示.表1CA6SE1--21N发动机主要技术参数技术参数指标缸径/mm106行程/mm125总排量/I6.62压缩比
5、12.o标定功率/kW155标定转速/r?rain2300最大扭矩/N?m700最大扭矩转速/r?rain1400涡前排温/℃≤680排放水平欧Ⅲ(ESC)图1缩口型燃烧室收稿日期:2007—07～27;修回日期:2007—12—12基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2006AAl1A1A6)作者简介:王忠恕(1977一),男,吉林省松原市人,讲师,博士,从事内燃机燃烧及排放研究;E—mail:wangzhongshu@jlu.edu.cn.车用发动机2007年第6期试验中采用的主要仪器设备见表2,在第1缸气缸盖上安装压力传感器,用以测量缸内
6、压力.在皮带轮上安装了DELTER2613B角标仪用以判断发动机的上止点信号和行程信号,角标仪的精度为0.1..表2主要试验设备名称型号或型式测功器小野电涡流测功机废气测量仪HORIBAMEXA一7OOO燃烧分析仪DEWETRON一2O1O空气流量计超声波流量计CNG流量计CMFC25M313NUCNG2数学模型与计算方法2.1湍流模型在发动机缸内,流体运动是一种极其复杂又强烈瞬变的湍流运动,决定了各参量在缸内的输运及空间分布,要正确地从微观上模拟和分析缸内的流动和燃烧情况,正确模拟湍流的影响是缸内流动模拟的关键.在内燃机研究中,应用较多的湍流模型是亚网格尺度模型
7、(SGS模型),双方程模型(k-e模型)和雷诺应力模型(RSM模型)等.本研究采用瞬态计算模式,在数值模拟中认为气体充量在气道及缸内的流动状态是三维可压缩黏性湍流流动,故采用标准￡高Reynolds数模型模拟CNG发动机气缸内的湍流运动.2.2点火和燃烧模型点火模型采用STAR—CD中的"Numerical"点燃方式.燃烧模型采用STAR—CD提供的部分混合类型中的ChemicalKinetics燃烧模型,它是STAR-CD与动力学软件CHEMKIN的联合,提供详尽的被称为STAR/Kinetics的动力学模型.化学动力学是在分子水平上研究化学反应机理和反应速度,
8、两者的结合
