LPG转子发动机燃烧过程的数值模拟研究

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当今社会日益严格的排放法规以及人类节约能源的意识对内燃机工业提出了严峻的挑战,人们也越来越注重发展LPG(液化石油气)、天然气等内燃机的代用燃料。而转子发动机作为内燃机的一种,具有质量轻、功重比高、运行平稳等许多往复机难以比拟的优点,且更适合燃烧气体燃料。因此,开展对转子发动机燃用LPG的研究就十分有意义。本文以CFD软件为平台,实现了转子发动机工作过程的动态模拟,分析了混合气当量比、喷嘴位置、喷射时刻及喷射方向等影响因素对其燃烧特性和NO排放的影响,相关结果为直喷式LPG转子发动机燃烧过程的改善提供了初步的理论指导。本文的主要工作和创新点如下:  (1)以ANSYS FLUENT软件为基础并结合自编程序,建立了符合转子发动机运动特点的计算模型,实现了对其工作过程的动态模拟,并将数值计算结果与国外已有文献结果进行对比,验证了相关模型的可靠性。  (2)计算了混合气当量比对预混式LPG转子发动机燃烧过程及NO生成的影响,结果表明:转子发动机的火焰传播过程主要由缸内湍流特性决定,当量比对其影响较小,当量比变化时,其整个燃烧持续期几乎不变,气缸压力和温度峰值随当量比的增大而增大;NO的生成量随当量比的增大呈先增后减的趋势,在计算所选的三个当量比中,当量比为0.75时由于燃烧温度和氧气浓度都较高,其NO排放最多。  (3)研究了三个具有代表性的喷嘴位置在不同喷射时刻下直喷式LPG转子发动机的燃烧特性,发现当喷嘴位于长轴顶点时,发动机燃烧持续性及稳定性都较另外两者更好;若发动机的转速及其他喷射其他参数给定,发动机存在一个最佳喷射提前角,此时燃烧室内混合气分布合理,放热率和燃烧压力峰值最高,燃烧持续时间短,发动机热效率高;直喷式转子发动机的NO排放主要由混合气的分布决定,若能通过控制喷射使燃烧室内混合气当量比为1左右的区域更大,就可以达到较预混式更低的水平。  (4)模拟得出了多个喷射方向下的最佳喷射时刻,并分析了其随喷射方向的变化规律。喷射方向向上即逆流喷射时,其最佳喷射时刻下,发动机的燃烧持续期较向下更短,燃烧放热更快且更靠近上止点;当喷射方向由下而上改变时,为了保证燃料始终能被喷射到转子凹坑的中前部区域,最佳喷射时刻需要相应提前;通过计算最终确定了最佳喷射角度,即喷射角度为15°,喷射提前角为439(°C)A,此时发动机的燃烧压力峰值较预混式高出了10%以上,但NO的排放却相差无几。
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