基于AVLBOOST的天然气发动机工作过程仿真研究
基于AVLBOOST的天然气发动机工作过程仿真研究[20200408212350]
摘要
天然气和石油气属清洁石油基气体燃料，天然气的化学性质相对稳定，在燃烧过程中火焰释放速度较慢，使发动机平均有效压力低、热效率低和局部缸内热负荷高等问题，限制了CNG发动机的优势。在能源紧缺的当代开展天然气发动机的缸内燃烧过程的研究对提高发动机的综合性能具有重要的意义。本文利用AVL-BOOST软件对四缸天然气发动机的压缩、点火、燃烧过程进行了建模和仿真计算，所建模型可信度较高，通过改变气缸内压缩比、点火提前角等参数研究四缸天然气发动机的工作过程，主要结论有：
通过对转速功率、转速扭矩的实测值与仿真模拟值的折线统计图，当两条线接近于重合时，证明所建模型可用。通过提高发动机压缩比、点火提前角、进气温度可以使发动机的有效功率得到提升，从而提升发动机的总体性能。在压缩比增大情况下，压缩比在12～15.5发动机的有效功率会呈上升趋势，在点火提前角在8°CA～16°CA范围内发动机的有效功率会随点火提前角的增大而增大，但在点火提前角超过12°CA时发动有效功率增长趋于平缓；在16～20°CA区间内发动机的有效功率随发动机的点火提前角的增加而减小,点火提前角的最佳区间为12°CA～15°CA。进气温度在20℃～50℃之间时，发动机的有效功率会随进气温度的增加而降低，20℃时发动机的有效功率最佳。
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关键字:天然气发动机燃烧模拟AVL-BOOST
目录
1. 绪论 1
1.1选题的背景和意义 1
1.2 国内外的研究现状 3
1.2.1计算机仿真技术软件发展历程和发展趋势 3
1.2.2国内外研究现状 4
1.3 本文的主要工作 5
2. 天然气发动机工作过程仿真模型的建立与验证 6
2.1 AVL-BOOST软件介绍 6
2.1.1 AVL-BOOST软件概述 6
2.1.2 AVL-BOOST软件功能介绍 7
2.1.3 AVL-BOOST模拟操作步骤 8
2.2 天然气发动机仿真模型的建立与验证 10
2.2.1 天然气发动机的主要参数 10
2.2.2 建立的发动机仿真模型 10
2.2.3 模型的验证 11
2.3 本章小结 12
3. 天然气发动机性能分析 13
3.1 影响与分析 13
3.1.1 压缩比 13
3.1.2 点火提前角 14
3.1.3 进气温度 14
3.2 本章小结 15
4. 全文总结和工作展望 17
4.1 全文总结 17
4.2 工作展望 17
致谢 18
参考文献 19
1. 绪论
1.1选题的背景和意义
汽车工业快速发展的同时，汽油与柴油的使用量随汽车保有量的增加而增加，图1-1为2011年至2012年国内民用汽车保有量，从图1-1中可以看出到2012年我国汽车保有量达到最大值，超过1亿辆，但是汽车保有量的上升同时引起了汽车尾气污染等问题。
图1-1 2011-2012国内民用汽车保有量
汽车保有量增加，汽车的主要燃料石油面临着日益短缺的问题。这说明，如果人类继续开采消耗石油，全世界的石油还够用45至49年，汽车的主要能源依然是汽油，而且现在是以化石能源为主的时代，中国能源的结构又很特别，71%的煤，17%的石油，4%的天燃气，中国的能源分布是全世界最特别的比例，全世界所有国家的比例又是不同的，比如说美国，油30%，煤是32%，天然气约占24～25%的比例，整个世界的天然气的比例大致为23%，石油31%，现阶段中国的减排压力非常巨大，煤炭的排放量是天然气相同热量的一倍。图1-2为1999年至2012年我国进口原油量与对外依存度的统计图，从图中可以看出1999年至2001年我国进口原油波动较为复杂，但是2001年至2012年我国进口原油量呈持续上涨状态，到2012年时进口原油量已超过250百万吨且对外依存度也达到最大，这说明我国的原油产量已经不容乐观。所以，近年来国家开始关注使用成本低的汽车代用燃料，来改善国家的能源消费结构，减轻能源危机[15]。
图1-2 1999-2012我国原油进口量和对外依存度
由于分布不均的石油资源和资源的日益短缺,寻找排放产生较少污染甚至接近于零污染的汽车代用燃料成为社会生活可持续发展的重要因素之一。在所有汽车代用燃料中,天然气相对清洁，并且储量较大、热值较高、尾气排放污染低、经济使用性好，所以受到广泛的关注。提倡使用天然气汽车对于改善城市空气质量,减轻我国能源压力有着重要的意义[11-12]。
表1-1 能源分类
类别 常规能源新能源 新能源
一次能源 可再生能源 水能，生物质能 太阳能、风能、地热能
不可再生能源 煤、石油、天然气 核能
二次能源 煤气，电力，酒精、汽油、柴油、液化石油气、沼气
与汽油、柴油相比，用压缩天然气的可节约40%以上的燃料成本。推广和使用天然气发动机可以更好的体现它的价值。但是天然气发动机的设计与开发，不能仅仅通过改良汽油机来获得良好的性能，由于天然气本身的燃料特性与汽油和柴油有着明显的区别，尽管天然气的主要成分为占体积分数93.63%的甲烷，且甲烷易于完全燃烧，CO与微粒排放量较少，可是由于甲烷化学性质的相对稳定，滞燃期略长，火焰传递速度较慢。所以想要天然气发动机的动力性、经济性和排放性到达最佳，需要对发动机点火系统、内部结构、燃料供给系统、排气进气系统各种参数进行优化设计。
天然气燃烧后无常见污染物产生，尾气排放污染物低，相比于石油等能源的优势体现在使用安全、洁净等。天然气从气体上分可分为伴生气 和非伴生气两种。天然气大部分成分为烷烃 ，其中甲烷 占的体积分数较高，还存有少量的乙烷 、丙烷 和丁烷 ，除此之外还有硫化氢 、二氧化碳 、氮 和水气 与微量的一氧化碳 以及微量的稀有气体，比如氦 与氩 等。在标况 下，甲烷到丁烷以气体 形式存在，戊烷及以上都为液体。此外甲烷还是最短和最轻的烃 分子。便于携带[1]。
天然气车辆发动机中冲程的运行要用到压缩天然气的爆炸，但是气体都存在易挥发的特性，在自发的条件下不具备产生足以使活塞做功的能量，所以需要外力将天然气浓度保持在在5%到14%之间以产生爆炸[2]。
甲烷的燃烧方程式：
完全燃烧：CH4+2O2==CO2+2H2O
CH4甲烷、O2为氧气、CO2为二氧化碳、H2O为水分子
不完全燃烧：2CH4+3O2=2CO+4H2O
因此对天然气发动机的仿真研究是必要的，此外还可以节约高昂的试验成本。
表1-2 天然气的主要成分
分子式 体积分数％ 燃料相对分子质量/mol 质量分数％
CH4 93.63 15.018 87.92
C2H6 3.25 0.977 5.72
摘要
天然气和石油气属清洁石油基气体燃料，天然气的化学性质相对稳定，在燃烧过程中火焰释放速度较慢，使发动机平均有效压力低、热效率低和局部缸内热负荷高等问题，限制了CNG发动机的优势。在能源紧缺的当代开展天然气发动机的缸内燃烧过程的研究对提高发动机的综合性能具有重要的意义。本文利用AVL-BOOST软件对四缸天然气发动机的压缩、点火、燃烧过程进行了建模和仿真计算，所建模型可信度较高，通过改变气缸内压缩比、点火提前角等参数研究四缸天然气发动机的工作过程，主要结论有：
通过对转速功率、转速扭矩的实测值与仿真模拟值的折线统计图，当两条线接近于重合时，证明所建模型可用。通过提高发动机压缩比、点火提前角、进气温度可以使发动机的有效功率得到提升，从而提升发动机的总体性能。在压缩比增大情况下，压缩比在12～15.5发动机的有效功率会呈上升趋势，在点火提前角在8°CA～16°CA范围内发动机的有效功率会随点火提前角的增大而增大，但在点火提前角超过12°CA时发动有效功率增长趋于平缓；在16～20°CA区间内发动机的有效功率随发动机的点火提前角的增加而减小,点火提前角的最佳区间为12°CA～15°CA。进气温度在20℃～50℃之间时，发动机的有效功率会随进气温度的增加而降低，20℃时发动机的有效功率最佳。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:天然气发动机燃烧模拟AVL-BOOST
目录
1. 绪论 1
1.1选题的背景和意义 1
1.2 国内外的研究现状 3
1.2.1计算机仿真技术软件发展历程和发展趋势 3
1.2.2国内外研究现状 4
1.3 本文的主要工作 5
2. 天然气发动机工作过程仿真模型的建立与验证 6
2.1 AVL-BOOST软件介绍 6
2.1.1 AVL-BOOST软件概述 6
2.1.2 AVL-BOOST软件功能介绍 7
2.1.3 AVL-BOOST模拟操作步骤 8
2.2 天然气发动机仿真模型的建立与验证 10
2.2.1 天然气发动机的主要参数 10
2.2.2 建立的发动机仿真模型 10
2.2.3 模型的验证 11
2.3 本章小结 12
3. 天然气发动机性能分析 13
3.1 影响与分析 13
3.1.1 压缩比 13
3.1.2 点火提前角 14
3.1.3 进气温度 14
3.2 本章小结 15
4. 全文总结和工作展望 17
4.1 全文总结 17
4.2 工作展望 17
致谢 18
参考文献 19
1. 绪论
1.1选题的背景和意义
汽车工业快速发展的同时，汽油与柴油的使用量随汽车保有量的增加而增加，图1-1为2011年至2012年国内民用汽车保有量，从图1-1中可以看出到2012年我国汽车保有量达到最大值，超过1亿辆，但是汽车保有量的上升同时引起了汽车尾气污染等问题。
图1-1 2011-2012国内民用汽车保有量
汽车保有量增加，汽车的主要燃料石油面临着日益短缺的问题。这说明，如果人类继续开采消耗石油，全世界的石油还够用45至49年，汽车的主要能源依然是汽油，而且现在是以化石能源为主的时代，中国能源的结构又很特别，71%的煤，17%的石油，4%的天燃气，中国的能源分布是全世界最特别的比例，全世界所有国家的比例又是不同的，比如说美国，油30%，煤是32%，天然气约占24～25%的比例，整个世界的天然气的比例大致为23%，石油31%，现阶段中国的减排压力非常巨大，煤炭的排放量是天然气相同热量的一倍。图1-2为1999年至2012年我国进口原油量与对外依存度的统计图，从图中可以看出1999年至2001年我国进口原油波动较为复杂，但是2001年至2012年我国进口原油量呈持续上涨状态，到2012年时进口原油量已超过250百万吨且对外依存度也达到最大，这说明我国的原油产量已经不容乐观。所以，近年来国家开始关注使用成本低的汽车代用燃料，来改善国家的能源消费结构，减轻能源危机[15]。
图1-2 1999-2012我国原油进口量和对外依存度
由于分布不均的石油资源和资源的日益短缺,寻找排放产生较少污染甚至接近于零污染的汽车代用燃料成为社会生活可持续发展的重要因素之一。在所有汽车代用燃料中,天然气相对清洁，并且储量较大、热值较高、尾气排放污染低、经济使用性好，所以受到广泛的关注。提倡使用天然气汽车对于改善城市空气质量,减轻我国能源压力有着重要的意义[11-12]。
表1-1 能源分类
类别 常规能源新能源 新能源
一次能源 可再生能源 水能，生物质能 太阳能、风能、地热能
不可再生能源 煤、石油、天然气 核能
二次能源 煤气，电力，酒精、汽油、柴油、液化石油气、沼气
与汽油、柴油相比，用压缩天然气的可节约40%以上的燃料成本。推广和使用天然气发动机可以更好的体现它的价值。但是天然气发动机的设计与开发，不能仅仅通过改良汽油机来获得良好的性能，由于天然气本身的燃料特性与汽油和柴油有着明显的区别，尽管天然气的主要成分为占体积分数93.63%的甲烷，且甲烷易于完全燃烧，CO与微粒排放量较少，可是由于甲烷化学性质的相对稳定，滞燃期略长，火焰传递速度较慢。所以想要天然气发动机的动力性、经济性和排放性到达最佳，需要对发动机点火系统、内部结构、燃料供给系统、排气进气系统各种参数进行优化设计。
天然气燃烧后无常见污染物产生，尾气排放污染物低，相比于石油
天然气车辆发动机中冲程的运行要用到压缩天然气的爆炸，但是气体都存在易挥发的特性，在自发的条件
甲烷的燃烧方程式：
完全燃烧：CH4+2O2==CO2+2H2O
CH4甲烷、O2为氧气、CO2为二氧化碳、H2O为水分子
不完全燃烧：2CH4+3O2=2CO+4H2O
因此对天然气发动机的仿真研究是必要的，此外还可以节约高昂的试验成本。
表1-2 天然气的主要成分
分子式 体积分数％ 燃料相对分子质量/mol 质量分数％
CH4 93.63 15.018 87.92
C2H6 3.25 0.977 5.72
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