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原文传递天然气发动机缸内湍流与燃烧相互作用机制研究

论文题名：	天然气发动机缸内湍流与燃烧相互作用机制研究
关键词：	汽车天然气发动机;湍流流动;燃烧过程;燃烧室形状;喷油策略
摘要：	汽车产业带来的燃油供求与排放污染间矛盾日益突出，在“碳达峰，碳中和”愿景下，天然气作为一种清洁低碳替代燃料，在内燃机领域具有广阔的减排空间，发展天然气发动机已成为国家节能减排重大战略之一。合理组织缸内气流运动对实现天然气发动机高效清洁燃烧至关重要，目前关于发动机缸内流动和燃烧之间的作用规律的研究尚处于起步阶段。本文从缸内湍流流动准确描述及评价入手，建立湍流和燃烧参数之间的映射关系，同时深入分析多物理场及多参数场条件下湍流和燃烧之间的相互作用机制，为进一步实现天然气发动机高效清洁燃烧提供理论指导。　　本研究针对商用天然气发动机，创新提出基于缸内非定常湍流流动的时间与空间动态分布评价方法；基于火焰锋面特征点，获得了湍流与燃烧参数的演变规律及映射关系；基于提出的评价方法及映射关系，探究了不同燃烧室形状和喷油策略下湍流流动和燃烧过程之间的影响规律。本文开展的创新性研究工作及所获结论如下：　　(1) 基于点燃式天然气发动机研究平台，针对发动机缸内流动过程难以精准描述及评价的局限，创新提出了一种缸内湍动能时空动态分布的评价方法。该方法通过对缸内不同湍流强度在缸内体积占比随曲轴转角的变化进行统计分析，同时对不同强度湍流场形心空间分布随曲轴转角的变化进行统计分析，以此构建缸内动态空间非定常湍流流动评价体系。通过该方法分析了有无燃烧过程及不同燃烧室形状条件下，缸内不同湍动能场随时空的变化规律。研究表明：缸内湍动能体积占比动态变化规律具有连续性，高湍动能体积占比随活塞上行呈逐渐降低直至消亡趋势，低湍动能体积呈逐渐增大趋势；燃烧过程的引入，同一曲轴转角下高湍动能体积占比有所增加，随后的变化规律趋同；对形心位置进行统计，获得了不同强度湍动能场在缸内的运行轨迹；涡流与挤流效果较强的燃烧室可延缓高湍动能体积占比的衰减速度。　　(2) 针对天然气发动机缸内流动和燃烧相互作用规律难以精准评价的局限，基于火焰锋面特征点，创新构建了湍流和燃烧参数之间的映射关系。在本研究中，火焰锋面的定义为燃烧反应区内甲烷质量浓度 90%（火焰前沿）和 10%（火焰后沿）之间所对应的区域，同时分别选取火焰沿活塞轴向的中心区域为轴向特征点，火焰沿穿过四个气门中心线方向的中心区域为径向特征点，并基于选定的 5 个特征点构建了缸内流动和燃烧参数之间的对应关系。研究表明：燃烧过程对流动过程具有一定的影响，5个特征点的统计结果表明燃烧的介入使火焰锋面区域湍动能的强度明显提升，火焰前沿对应的湍动能强度明显高于火焰后沿；流动过程同样影响燃烧过程，湍动能强度决定了火焰湍流燃烧速度；紧邻火焰锋面区域原有速度场及火焰传播到此区域后的湍流燃烧速度共同决定了火焰锋面移动速度。　　(3) 为了深入探究不同物理场条件下湍流流动和燃烧过程之间的影响规律，基于本研究提出的缸内湍动能时空动态分布以及湍流和燃烧参数之间映射关系的评价方法，分析了燃烧室形状对发动机缸内湍流流动及燃烧过程的影响机制。研究表明：缸内火焰锋面体积和燃烧放热率具有较好的对应关系；燃烧室形状对缸内湍流流场演变历程影响较大，放热率与火焰锋面体积及锋面移动速度成正相关；火焰锋面中不同湍流强度体积占比直接影响了燃烧放热过程，相对较高的高湍流强度体积占比对应着较高的放热率峰值及较早的燃烧相位。　　(4) 为了深入探究不同参数场条件下湍流流动和燃烧过程之间的影响规律，同样基于缸内湍动能时空动态分布以及湍流和燃烧参数之间映射关系评价方法，分析了柴油引燃模式下，喷油策略对发动机缸内湍流流动及燃烧过程的影响机制。研究表明：随着替代率的增加，各曲轴转角下缸内压力与峰值压力的标准偏差和循环变动均呈逐渐增大趋势，燃烧模式由扩散燃烧趋于预混燃烧；喷油过程使油束附近湍动能得到瞬时大幅度提升，但也加速了缸内湍动能的耗散过程；随着喷油时刻的前移，由喷油引入的瞬时湍动能变化对燃烧过程影响效果呈下降趋势。
作者：	付晓东
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	王忠恕
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022