四冲程自由活塞天然气发动机的研究

【摘要】：增程式电动汽车和混合动力汽车是当前汽车工业研究与开发热点,基于Atkinson循环的自由活塞发动机因其结构简单、燃料适应性广和热效率高等优点非常适合作为动力装置用于增程式电动汽车和混合动力汽车。随着汽车工业发展和石油资源日趋枯竭,天然气因资源丰富和清洁燃烧而成为当前汽车替代能源的首选,可同时兼顾现有能源与清洁能源的自由活塞天然气发动机日趋受到重视。为充分发挥自由活塞天然气发动机的优势,改善发动机的动力性和经济性,本文以试验研究与数值模拟相结合的方法,对四冲程自由活塞天然气发动机热力过程进行分析。为分析四冲程自由活塞发动机内部燃料能量转换过程的优劣及其主要影响因素,依据四冲程自由活塞发动机工作原理,对其工作过程进行适当简化,建立基于缸外独立压缩的四冲程自由活塞发动机理论循环模型。应用热力学第一定律和第二定律对其进行分析,结果表明,基于Atkinson循环的四冲程自由活塞发动机循环热效率和(?)效率都高于传统Otto循环发动机,膨胀比增大可以提高发动机热效率。分别定义了最优膨胀比和膨胀比极限,膨胀比极限小于最优膨胀比,因此自由活塞发动机达不到理论计算的最大热效率。在确保缸内压缩终点压力和温度可顺利点火的情况下,缸外压缩比缸内压缩更有利。在原四冲程自由活塞汽油机原理样机基础上,设计天然气电控喷射系统,改进点火系统,搭建四冲程自由活塞天然气发动机原理样机试验平台,并在完成试验设计基础上,对四冲程自由活塞天然气发动机原理样机主要性能进行测试、对试验结果进行分析,验证四冲程自由活塞发动机的多燃料适应性。基于自由活塞运动特点,建立自由活塞动力学模型；借用通用流体计算软件平台,开发逐步解算自由活塞运动规律计算模块；依据建立的四冲程自由活塞发动机缸内工作过程多维瞬态数值模拟计算模型,探讨自由活塞运动规律对缸内流场的影响并对所建模型进行校验,给定规律下缸内压力的预测曲线与试验曲线吻合较好,进一步说明整个缸内工作过程多维瞬态数值模拟中全过程模拟计算的真实性、数学模型的准确性和活塞运动规律定义的合理性。在自由活塞发动机全过程多维瞬态数值模拟计算的基础上,分析气门正时、活塞顶部形状、点火正时、缸外独立压缩、压缩比与膨胀比等主要参数对自由活塞发动机性能的影响,中低运转频率下,气门正时和气门升程对循环进气量影响较小,循环进气量主要随进气冲程长度线性增加;活塞顶部形状由平顶改为凸顶后,在发动机运动频率不变的情况下,增大了压缩比,提高了换气效率；自由活塞对压力非常敏感,压缩比的增大、点火时刻的提前和任何加快燃烧反应进程的因素,均会影响活塞运动；用数值模拟计算方法分析了调整电磁力对压缩比的改变,进而通过变压缩比对爆震进行有效抑制。 【关键词】：自由活塞发动机 四冲程 压缩天然气 工作过程
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U464.174
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-16
• 符号表16-18
• 1 绪论18-31
• 1.1 课题研究的目的与意义18-20
• 1.2 自由活塞发动机简介20-22
• 1.2.1 自由活塞发动机分类20-21
• 1.2.2 自由活塞发动机应用发展历程21-22
• 1.3 自由活塞发动机研究现状22-27
• 1.3.1 自由活塞发动机原理样机试验研究现状22-25
• 1.3.2 自由活塞发动机数值模拟研究现状25-27
• 1.4 天然气发动机应用现状及发展趋势27-29
• 1.4.1 天然气作为发动机替代能源的优势27-28
• 1.4.2 单燃料天然气发动机应用现状及发展趋势28-29
• 1.5 本文主要研究内容29-31
• 2 四冲程自由活塞发动机热力学模型31-48
• 2.1 四冲程自由活塞发动机构成及工作原理31-32
• 2.1.1 四冲程自由活塞发动机构成31
• 2.1.2 四冲程自由活塞发动机工作原理31-32
• 2.1.3 四冲程自由活塞发动机特点及实现难点32
• 2.2 四冲程自由活塞发动机理论循环热力学分析32-42
• 2.2.1 理论循环32-33
• 2.2.2 理论循环热力学模型33
• 2.2.3 理论循环热力学分析33-42
• 2.3 四冲程自由活塞发动机理论循环(?)分析42-47
• 2.3.1 自由活塞发动机理想热力循环过程(?)分析计算模型42
• 2.3.2 自由活塞发动机理想热力循环过程(?)分析42-44
• 2.3.3 结果分析44-47
• 2.4 本章小结47-48
• 3 四冲程自由活塞天然气发动机原理样机系统设计与试验48-57
• 3.1 原理样机系统设计48-51
• 3.1.1 CNG喷射系统49-50
• 3.1.2 点火系统50-51
• 3.1.3 CNG供气系统51
• 3.2 试验测试装置51-52
• 3.3 四冲程自由活塞天然气发动机原理样机及试验台架52
• 3.4 CNG燃料理论空燃比计算52-53
• 3.5 样机运行试验53-54
• 3.6 试验结果分析54-56
• 3.6.1 进气冲程长度对系统性能的影响54
• 3.6.2 压缩比对系统性能的影响54-55
• 3.6.3 膨胀比对系统性能的影响55
• 3.6.4 点火时刻对系统性能的影响55-56
• 3.7 本章小结56-57
• 4 四冲程自由活塞发动机三维数值模拟及验证57-79
• 4.1 四冲程自由活塞发动机三维数值模拟计算过程57-58
• 4.2 数学模型的建立58-61
• 4.2.1 基本控制方程58
• 4.2.2 湍流流动模型58-59
• 4.2.3 传热模型59
• 4.2.4 燃烧模型59-61
• 4.3 三维几何模型的建立61
• 4.4 计算网格的划分61-63
• 4.5 电磁驱动配气机构运动规律的实现63
• 4.6 自由活塞运动规律的实现63-68
• 4.6.1 传统发动机活塞运动规律的实现63-64
• 4.6.2 自由活塞运动特点64
• 4.6.3 自由活塞动力学模型64-65
• 4.6.4 自由活塞运动规律的确定65-67
• 4.6.5 自由活塞动网格实现67-68
• 4.7 初始条件与边界条件的确定68-69
• 4.8 计算方法69-70
• 4.9 模型验证70
• 4.10 计算结果分析70-78
• 4.10.1 缸内进气过程流场分析71-73
• 4.10.2 缸内压缩过程流场分析73-75
• 4.10.3 燃烧过程分析75-78
• 4.11 本章小结78-79
• 5 四冲程自由活塞天然气发动机性能的影响因素79-112
• 5.1 进气门运动对四冲程自由活塞天然气发动机性能的影响79-88
• 5.1.1 可变进气门正时对自由活塞发动机进气冲程的影响79-82
• 5.1.2 可变气门升程对自由活塞发动机进气冲程的影响82-88
• 5.2 压缩比对四冲程自由活塞天然气发动机性能的影响88-104
• 5.2.1 增大进气冲程长度改变压缩比对自由活塞发动机性能影响88-92
• 5.2.2 活塞顶部形状对缸内流动和燃烧的影响92-101
• 5.2.3 自由活塞天然气发动机对爆震的抑制101-104
• 5.3 点火时刻对四冲程自由活塞天然气发动机缸内流场的影响104-107
• 5.4 过量空气系数的影响107-108
• 5.5 缸外独立压缩对四冲程自由活塞天然气发动机性能的影响108-110
• 5.6 可变膨胀冲程对四冲程自由活塞天然气发动机性能的影响110
• 5.7 本章小结110-112
• 6 总结与展望112-115
• 6.1 全文总结112-113
• 6.2 本文创新点113
• 6.3 工作展望113-115
• 致谢115-116
• 参考文献116-124
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研情况124
• 1. 已发表论文124
• 2. 参与科研情况124

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