缸内直喷气体燃料发动机文献综述

--好好学习，每天向上--10缸内直喷低热值气体燃料发动机燃烧进程建模与仿真论文争论的背景能源和环境问题是近一个世纪人类最关心的两个问题，也是我国乃至世界各国坚持走可持续进展的重要战略问题。内燃机是石油资源的主要消耗源和大5工业对石油能源的依靠性已经成为限制国民经济进展，能源安全的重要因素。世界上各国政府都在关注汽车保有量高速进展造成的大气污染问题和石油能源危机问题，始终尽力地查找解决途径，代用燃料汽车的开发成为行之有效的手腕，如氢气汽车、甲醇汽车、电动汽车、气体燃料汽车等。近几年来，气体燃料发动机取得了国内外争论学者们的普遍关注。在发动机燃用气体燃料争论领域，近些年来除被称为高品质气体燃料的自然气外，低(CH4)含量相对较低4070%)，非烃气体含量较高(CON2:1040%);另外其热值50%左右。低热值燃气主要有以下几个来源:工业生产进程中产生的低热值燃气，如高炉煤气、炼油伴生气、瓦斯气，生物质热解气化气。这些低热值能源资源的利用是提高我国能源利用效率的重要技术途径，同时处置生产和生活的废弃物和垃圾，也有利于掌握污染排放和净化生活环境。从燃料的猎取来源上讲低热值混合气体燃料主要由煤层气和沼气等组成。其中煤层气因开采猎取方式不同又具体称为地面开发煤层气(Coal-BedMethane；CBM)、井下抽放煤层气 (CoalMineMethane，CMM)和报废矿井煤层气(AbandonedMineMethane，AMM)三种。从地面直接开采的CBM甲烷含量很高，通常在95%以上但CBM的开采量往往受到地质构造和开采技术的限制而报废矿井中剩余的AMM甲烷含量很低一般在30%以下其贮存点分散并储量少，开采本钱常高于燃料利用价值，因此缺少工业应用前景。CMM。低热值混合气体燃料的另一主要来源是沼气。沼气是有机物在隔间空气和必定的温度、湿度、酸碱度等条件下，通过沼气细菌作用而产生的可燃气体，是一种可再生的清洁气体燃料。开发利用低热值混合气体燃料在我国具有特别的战略意义。我国是世界上最大的煤炭生产和一次能源消费国家，同时也是煤层气资源大国，我国煤层气资源居世界第三位，总储量与我国自然气资源量(38亿万立方米)相当，约为31亿万立方米。而在地域散布上又与自然气资源形成良好的互补性，我国煤层气资源集中在中部和东部地域，而自然气资源主要散布在西部地域。但目前我国煤层气不仅没充分发挥其资源优势，反而成为破坏生态环境和煤炭生产事故的7080%的重大伤亡事故是由井下未排出的CMM我国是世界上最大的煤炭生产和一次能源消费国家，同时也是煤层气资源大国，我国煤层气资源居世界第三位，煤层气资源总量为30-35量与我国自然气资源量(38自然气资源形成良好的互补性，我国煤层气资源集中在中部和东部地域，而自然气资源主要散布在西部地域。煤层气资源的大量开采利用能够增进燃料构造调整，有助于改善煤炭安全开采，改善大气质量，是中国经济可持续进展的战略能源。由此可见，开发利用低热值混合气体燃料有利于我国优化能源构造，减缓能源紧急局面和保护环境，同时对保证煤炭生产安全和可再生能源的利用具有超级深远的社会意义。意义低热值气体发动机争论现状近些年来，国内外前后开发出燃用低热值混合气体燃料的型气体燃料发动机。奥地利Jenbacher公司在上世纪90年月推出了JW208GB低热值气体燃料发动机，该机可燃用沼气，额定转速为1500r/min，额定功率为134千瓦。日本Niigata公司推出了双燃料的混合气体燃料发动机，该产品通过将少量柴油喷入缸内引燃混合气，实现了低热值混合气体燃料的稳定高效燃烧。另外，在澳大利亚、英国、俄罗斯、波兰等国低热值气体燃料发动机也取得开发应用。我国2023年开发出以CMM500率较低，时常因煤层气组分浓度转变消灭燃烧不稳定及停机现象。阿拉巴马大学争论了燃用4种不同组分派比的低热值气体燃料发动机的排放特性，觉察低热值混合气体燃料组分派比对发动机的排放性能有明显影响，saifulBari机性能的影响，觉察CO:体积组重量为40%左右时，发动机与自然气发动机性2CO2

30%左右，低热值气体燃料发动机部份性能参数优于自然气发动机。SaifulBari以为是CO2

的高温分解反映生成的一氧化碳和氧气起作用加速了火焰传播速度，使发动机的燃烧进程性能取得调整优化。由于低热值混合气体燃料的着火温度高，燃烧速度低，使得低热值气体燃料发动机普遍存在着火延迟时间较长，急燃期内参与燃烧的燃料少，后燃期长和动力性降低的问题，因此探讨改善低热值混合气体燃料着火性能和提高其燃烧速度成为提升发动机性能的关键问题。瑞士工业能源试验室(LENI)AnneRoubaud动机燃烧和排放特性的明显改善。合肥工业大学左承基教授在争论火花点火式煤层气发动机时觉察优化点火提前角和紧缩比，可使发动机起动及怠速性能稳定，带负荷工作靠得住。浙江大学熊树生教授争论沼气发动机时觉察选择紊流型燃烧室构造，加大缸内紊流强度，增加点火能量和增大紧缩比，可有效缩短着火延迟时间。缸内直喷进气方式的争论现状燃料供给系统是气体燃料发动机相当重要的组成部份之一。气体燃料供气方式及掌握系统将对气体燃料发动机的综合性能提高起着相当重要的作用。燃料的形成技术对后燃和压力上升率等燃烧问题也有很大影响。所以供气方式的选择在气体燃料发动机改造技术中是格外重要的环节。柴油机的燃料是在紧缩行程末喷入气缸内，进气进程只有纯空气流入，所以进气系统比较简洁。而燃用低热值气体燃料时，发动机在进气行程中吸入的是低热值气体燃料和空气的稳定燃烧不易实现。燃料喷射系统对于低热值气体燃料发动机的工作稳定性，经济性和排放性而言就加倍重要，燃料喷射系统直接关系着低热值燃气发动机发动机的供气形式主要包括进气道混合器预混合供气方式、进气道单点喷射预混合供气方式、缸外进气门处喷射供气方式和缸内气体燃料喷射掌握方式。这几种方式的特点如下:(l) 燃料占据空气冲量可达10%~15%，影响发动机燃烧进程和升功率。处，可实现对每一缸的按时定量供气，通常称之为电控多点气体喷射系统，它可以减轻和消退由于气门重叠角存在，燃气直接逸出而致使的排放恶化和燃料铺张等不良影响。进气门处喷射由于可以由软件严格掌握气体燃料喷射量和喷射时刻与进排气门及活塞运动的相位关系，易于实现定量供气和层状进气。可依据发动机转速和负荷，更准确的掌握对发动机功率、效率和尾气排放有重要影响的空燃比指标，实现淡薄混合气燃烧，更进一步提多发动机的动力性、经济性，以改善排放特性。固然它也有缺点，即气体燃料和空气没有充分的时间形成均匀的混合气。内喷射两种。高压喷射是在紧缩冲程的结尾将气体燃料喷射入燃烧室，需要很高的压力。气体燃料不是在进气道与空气预先混合，而是在紧缩冲程中活塞接近上止点时直接以很高的压力喷射到气缸内的空气中。燃料气流和气缸中的空气充量的混合速度由燃料的喷射进程及燃烧来进展掌握。由于紧缩进程中不存在燃料和空气的预混合，消退爆震的可能性。从充气效率的角度来看，缸内高压喷射对于空气充量几乎没有影响，抑制了缸外进气道喷射充气效率降低的缺点，为进一步完善发动机的各项性能供给了极为有利的条件。而低压喷射只是在吸气冲程将气体燃料喷入缸内。在进气门关闭后，将气体燃料喷入气缸，在着火之前形成均质的预混合气并承受电火花点火或喷入少量引燃油使混合气燃烧。由于气体燃料是在进气门关闭后喷射，因此喷射压力比较低，通常在，但与进气道喷射压力相较，仍是比较高的。这种方式避开了气体燃料在进气混合时占有必定体积的缺点，使进气充量提高。可是，低压缸内直喷发动机的紧缩比比较低，限制热效率进一步提高。另外，由于仍旧需要承受骨气门通过节流作用调整发动机的充量，在中小负荷季节流损失大。本争论承受的是缸内直喷的进气方式，缸内喷射方式具有和缸外喷射供气方式一样的特长，它对空气充量几乎没有影响，能部份地恢复气体燃料发动机的功率，但其系统构造简单，需对发动机燃烧系统做较大的改动，同时使喷射内燃机燃烧进程仿真现状内燃机燃烧进程打算了内燃机的经济性和动力性，并对燃烧噪声和排放有重要影响。因此争论燃烧进程有极为重要的意义。但内燃机燃烧进程是一个极为简单的进程，它受到化学反映动力学、流体力学、传热学和热力学等定律的支配。内燃机的燃烧还带有很多本身固有的特点，如燃烧室外形比较简单，燃烧是在高压和非稳态条件下进展，发生于一个三维的、与时间有关的、其化学反映机理还不格外清楚的系统中，这些增加了争论中的困难。最近几年来，由于先进测试技术如高速摄影和取样、激光技术和计算机的运用，燃烧进程的研究正在取得较大的进展。自60年月后，由于计算机的普遍应用，使得对燃烧进这个模型转变多种多样，通过几十年的进展，各类描述燃烧进程的模型层出不穷，其中有的模型已日趋完善。’Simulation’实系统(物理系统)在不失其物理本质特征的前提下所作的一种合理简化与高度归纳。计算机仿真是在计算机上通过系统模型去模拟一个实际存在或正在设计中的真实系统，以再现(可视化)或分析(数值计算)真实系统的本质特征，其进程2040首先应用于航空、航天，并很快向其他领域、学科扩展，目前己普遍应用于科学争论、生产组织、工程设计、经济调控及社会进展等方方面面。随着现代科学技术的不断进步，计算机仿真技术必将取得进一步的进展，在工程上发挥愈来愈重要的作用。内燃机缸内工作进程的仿真计算属计算流体力学(CFD)的范围。其缸内工作进程伴随着极为简单的流体运动，不仅有气体的流淌，还包括喷油进程、雾化、蒸发及燃烧进程，而且随着活塞运动和进排气阀的运动，流体边界和边界条件都处于快速的转变进程中，要想利用计算机完全重现内燃机的全数工作进程相当困难。内燃机燃烧数值模拟与燃烧模型其移动壁面直接影响进程的进展。在柴油机和其他燃料喷射内燃机、和某些类型的分层充量内燃机中，由于燃料在燃烧室中的不均匀散布和燃料与空气混合进程的重要性，燃烧进程加倍简单。内燃机燃烧进程的数学模型，主要指描述内燃机工作进程中缸内流淌工质的传质、传热的流体力学与热力学行为的一组物理和化学的数学方程式。它从内燃机有关工作进程的物理化学模型动身，用微分方程对有关工作进程进展数学描述，然后用数值计算法联立求解上述微分方程组，求得各参数随时间转变的规律，进而可以了解有关各参数对内燃机性能的影响。由于内燃机中燃烧进程的简单性，理论上燃烧进程中缸内各类场函数r(压力、温度、产物浓度等)随txx2x3表示三维空间坐标。则有r=(xlx2x3)这一特点，使得用理论公式对它进展描述超级困难，不仅要用到化学热力学反映、流体力学、传热传质学等学科领域中的成效，而且还要对内燃机实际燃烧进程进展各类假设，以保证主要现象模拟的准确性。假设条件是模型的核心，而且也是划分模型的标志。人们在相应的争论中针对各类特定的争论对象，对问题承受不同的处置方式，提出了各类燃烧模型。燃烧模型通常按维数分为零维模型、准维模型及多维模型三类.零维模型零维模型又称为单区模型。它假定气缸内工质均匀散布，各类热力学参数和热物性参数处处相等，即随时处于热力学平衡状态，通过大量实际燃烧放热进程的统计分析，找出规律性，用阅历公式或曲线拟合的方式，成立一种燃烧放热进程的参数间的阅历关系式，将简单的燃烧进程简化表到达几个特性参数间的关系。这种模型大多是在燃烧模拟初期进展起来的，它们的一路特点是把仅把燃烧看成是按必定规律向系统假设热量的进程。零维模型进气进程中进入气缸的气流用准定常单维流淌方程来处置。当管道中的动力现象不行无视时，用单维非定常气流方程加以计算，并用特征线性EGR废气)混未燃气体区和边界层。对于火花点火发动机，就是以火焰面为分界，火焰面之内为已燃气体区，火焰面之外为未燃气体区，反映区就在火焰面上，火焰面的型的是余弦公式：cos(0)21 b 式中--曲轴转角；0--开头点火时曲轴转角；b--点火持续角度。使了准维燃烧模型的进展。应用在两个方面。l)依据己知示功图计算放热率曲线。零维模型依据己知的P-V工质的能量守恒方程、质量守恒方程、抱负气体状态方程及各类气体的热物性参数、壁面传热公式等关系计算出缸内燃料的放热率或燃烧率。在这方面，也有很多厂家开发出各类计算分析设备。如AVLCB系PEI和找出最正确参数匹配。在这里，如何拟合内燃机放热规律是首要问题，很多学者进展了争论，如前苏联学者提出的韦伯函数;美籍华人林慰梓提出的三角形迭加法等;我国学者顾宏中提出了用一个幂函数模拟直喷式柴油机的预混合燃烧放热尖峰，再用一个韦伯函数模拟集中燃烧的方式，并提出了燃烧品质系数m、燃烧持续角、进气压力和温度及发动机转速等参数之间的对应关系。可是，这种模型中，用简洁的数学关系掩盖了燃烧中的物理化学反映进程的本质，无法从机理上去把握其规律性。另外，均匀态的假设，也不能推测氮的影响。而计算的准确性又依靠与阅历系数的选取，对内燃机型和运行条件有2.准维模型内燃机的放热率，使放热率更接近实际。设计领域的青睐。量，因此掌握方程均为常微分方程。虽然具有简便易行、计算时间少的特长，但却都难以精准计算燃烧室几何参数转变、缸内气流状况转变对燃烧进程的影响。要更精准地模拟内燃机的实际燃烧进程，就需要在气缸内成立更简单的模型。零维模型和准维模型的实质都是成立在对内燃机工作循环中气缸内工质的热力学分析的根底上。进气进程中进入气缸的气流用准定常单维流淌方程来处置。当管道中的动力现象不行无视时，用单维非定常气流方程加以计算，并用EGR废气)混合气各组成的比热用温度的多项式来模拟。在燃烧期间，气缸内有已燃气体区、未燃气体区和边界层。对于火花点火发动机，就是以火焰面为分界，火焰面之内为已燃气体区，火焰面之外为未燃气体区，反映区就在火焰面上，火焰面的厚度很薄，在成立模型时可以无视不计。燃烧进程模拟的一个重要的工作就是必需确定质量燃烧率，质量燃烧就是气缸内混合气的燃烧量百分比随曲轴转角转变的规律。Af

的火焰先锋面，以湍流燃烧速度向未燃混合气传播。另一种方式是由N．C．Blizard等提出的，R．J．Tabaczynski未燃的混合气卷入火焰先锋，接着是一个特征长度尺度的层流烧尽进程，以此模拟火焰传播进程。3.多维模型零维模型和准维模型都是在热力学理论的根底上，以时间为自变量来描述把燃烧室分成两个燃烧区域。零维模型和准维模型可以用于内燃机设计参数和运行参数的转变对内燃机的动力性能、经济性能和排放性能影响的争论。但零维和准维模型远不能从本质上去揭露有关燃烧现象的机理，因此也就不能对内燃机的性能做出较详尽的客观分析和推测，其应用也缺乏普遍性。多维模型是考虑到缸内进程物理域二维和三维空间散布的模型，这种模型与零维或准维模型相较在性质上有很大的不同。在这种模型中，各守恒方程与描述湍流运动、化学反映、边界层特征相应的子模型一路，结适合当的边界条件，用数值方式求解。计算结果能够供给有关内燃机燃烧进程中的气流速度、温度和成份在燃烧时空间散布的具体信息，是一种较为精细的模型。机领域的各类燃烧模型和方案。残留废气及再循环废气的增加致使的层流火焰速度降低引发的。火花塞点火发动机的预混合湍流火焰的构造依据Damkohler数为：Damkohler数充分大时可无视火焰自身厚度的薄面构造和Damkohler要考虑化学反映速度的散布式火焰构造。后者主要因低负荷运转时残留废气及废气再循环的增加致使的层流火焰速度的降低引发。火花塞点火发动机的Damkohler数和雷诺数一般都大于1Kolmogorov11涡团裂开模型(EddyBreakUpModel)可应用于薄面火焰构造上，因其计算简洁被普遍应用于三维计算中。可在全部发动机运行工况范围内应用的燃烧模型assumedPDF征湍流参数)和火焰区域模型等。目前，在火花点火发动机的三维数值模拟中，应用前景最好的是基于层流火焰的CFM(CoherentFlameModel)相关火焰模型。国内外争论火花塞点火式发动机燃烧模拟的热点主要集中在：现有三维CFD机的争论和不易进展试验的型燃烧理论的验证上。内燃机多维模拟方式进展概述计算了一个二维轴对称、无燃烧、无喷射的缸内气体流淌的例子；Boni等人结Lagrangian-Eulerian：任意拉格朗日欧拉法方式，并参加燃烧和湍流子模型，用二维模型分析模拟了发动机紧缩进程和作功进程。这些初期模拟工作此刻看起来有些粗糙，但它们为柴油机工作进程数值模拟争论的进展奠定了根底。自上世纪80年月以来，随着计算机技术的普及，计算数值方式和计算流体力学等学科的日趋成熟，柴油机工作进程多维数值模拟取得了快速进展，各类子模型如燃烧、喷雾、传热、传质等模型被不断完善，为全面深切模拟内燃机1984Gosman发表了求解缸内三维湍流场的论文后，内燃机多维数值模拟进入到一个的进展阶段，在这阶段接踵有LosAlamos国家试验室和英国帝国理工学院在这方面的争论工作处于国际领先地位，他们别离提出了ALE法和SIMPLE美国LosAlamosHirt1972用于内燃机缸内工作进程数值计算的ICED-ALE〔theImplicitContinuous－fluidtheArbitraryLagrangian—Eulerian〕算可能受到的音速稳定性的限制，而且能够模拟弯曲或移动的边界外表，特别适合于求解内燃机这种几何外形不规章且工作容积不断转变的流淌问题。1975年美国LosAlamos国家试验室首先推出了二维RICE程序，并用于计算汽油机预混合燃烧。该程序利用矩形计算区域分析它的网格、模拟涡流的漩涡集中，用有多种化学反映和燃料种类的动力学来模拟实际化学动力学，用特定的有限差分公式来有效地处置低马赫音速问题。RICE以后，LosAlamos适应性。1979CONCHAS了循环的拉格朗日-欧拉公式，并允许形成伴随活塞运动的计算网格。另外，通过利用小网格模型，计算中考虑了紊流的影响。到1982CONCHAS-SPRAY算程序，该模型包括了喷射动力学模型。1985年LosAlamos试验室的Amsden等人正式公布了KIVACONCHAS-SPRAY多元化学反映流和燃油喷雾问题。它的数值求解方式具有普遍性，即可以用于层流或湍流，亚音速或超音速，单项流或集中两相流，可以有任意数量的物质和化学反映。除具有CONCHAS-SPRAY〔SGS〕单方程模型根底上参加了k计算与亚网格尺度相联系的湍流淌能；又如在CONCHAS-SPRAY喷雾模型的根底上，增加了油粒碰撞和聚合子模型等等。1989LosAlamos试验室推出KIVA-II利用的简便性和通用性等方面又有了的提高。利用了改进的k湍流模型，TA〔TaylorAnalogyBreakup1993年该试验室又推出KIVA-3程序。它与KIVA-II在模拟简单几何外形时具有更高的效率。另外，KIVA-3还利用了一个叫SNAPPER的技术，允许活塞越过缸壁上的气口。1997年LosAlamos试验室推出KIVA-3的改进版KIVA-3V，并在1999年又推出了KIVA-3V的改进版KIVA-3V其次版。KIVA-3V最显著的特点是增加了进、排气阀模型，气门可以有各自的升程曲