基于零维拟序火焰模型的CNG发动机燃烧过程建模与爆震机理研究

With the shortage of traditional energy and environmental issues, natural gas is widely considered as a resource-rich, low-carbon, efficient and clean renewable energy, and is an idea alternative fuel for internal combustion engine. For the modeling of combustion and knock mechanism in compressed natural gas (CNG) engine, the main methods are three-dimensional combustion modeling and general zero-dimensional modeling based on empirical formula. However, the former one takes a long calculation period and the latter lacks of physical meaning. Zero-dimensional (0D) Coherent Flame Model (CFM) has high computational efficiency and the model parameters have physical meaning, which might be an ideal method of combustion process and knock modeling for CNG engine..In this project, the combustion process and the knock mechanism will be investigated in CNG engine using 0D CFM model, in order to improve the overall efficiency of combustion and engine power, and to reduce emissions pollutant. Based on this model, a new method of knocking mechanism modeling will be used to investigate the phenomenon of CNG engine knock while comparing with experimental data. The strategy of optimized engine running conditions will be obtained. The basic research achievements will be the theoretical and technical support for combustion process simulation and optimization of CNG engine, diagnostic and knock control technology and premixed combustion engine design.

随着传统能源短缺和环保问题的突显，天然气作为发动机替代燃料，因资源丰富、低碳环保、高效清洁而倍受关注。针对压缩天然气（CNG）发动机燃烧和爆震建模现阶段主要采用三维燃烧模型和基于经验公式的一般零维模型。然而，前者存在计算周期长，成本高的缺点，后者则缺乏物理意义。零维（0D）拟序火焰模型（Coherent Flame Model，CFM）具有计算效率高、模型参数具有物理意义的突出特点，有可能成为CNG发动机燃烧过程和爆震建模的理想手段。本项目以CNG发动机的燃烧过程和爆震机理为研究对象，以0D CFM建模为研究主线，以综合提高CNG发动机的燃烧和动力性能，减少污染物排放为目标。在该模型基础上，运用新的爆震机理研究思路对CNG发动机的爆震现象进行建模和实验研究，提出一套发动机运行最优化方案，为CNG发动机燃烧过程模拟与优化、爆震诊断与控制技术以及预混合燃烧发动机设计提供理论和技术支撑。

天然气是一种资源丰富、低碳环保、高效清洁的新型能源，是非常理想的发动机燃料。天然气发动机的研究和开发，对于解决我国现阶段的能源短缺和环境污染问题具有重要的意义。为更好地理解和掌握天然气发动机气缸内工作情况以及开发车用天然气发动机，开展天然气的层流燃烧特性研究。本项目利用Chemkin软件建立模型，对发动机运行条件下的天然气层流燃烧特性进行模拟，分析了不同初始压强、初始温度、当量比条件下的层流燃烧速度。利用LMS AMESim 软件建立和发动机实验相对应的零维拟序火焰模型（0D CFM），修改发动机燃烧模型以适用于CNG 发动机。借助Matlab 和 AMESim 的联合仿真，将实验所用的运行条件数据直接导入到模型进行建模。分析不同进气温度、进气压强、当量比等参数对发动机燃烧和做功的影响，得到发动机相关的燃烧和做功数据，获得发动机运行条件下的天然气层流燃烧速度、火焰厚度以及自燃延迟时间。通过仿真数据的参数敏感性分析，给出CNG发动机的燃烧过程重要影响参数。本研究在0D CFM燃烧模型之上，根据层流燃烧分析得出的火焰传播速度和自燃延迟时间建立发动机爆震预测性指标，当该指标达到特定值时爆震现象产生，并估算爆震强度。.综上所述，本项目完成了天然气在CNG发动机运行条件下的层流燃烧特性的实验和模拟，完成相应的数据采集与分析，并对数据进行拟合优化，获取经验公式并应用于 0D CFM模型的建模；完成发动机测试系统的建立和实验后处理程序的编写；运用0D CFM模型进行不同运行条件下的发动机的数据分析，并对燃烧过程、尾气排放和爆震现象进行基础性研究。本项目为CNG发动机燃烧过程模拟与优化、爆震诊断与控制技术以及预混合燃烧发动机设计提供理论和技术支撑。