新型大流量燃气喷射阀的性能研究.docx

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1、摘要随着天然气产业的兴起，气体机以及双燃料发动机在市场上的地位显得越来越重要。气体机在排放性能上相较于传统柴油机有着先天优势，而动力性能却稍有不足。为了弥补天然气发动机在动力性能方面的不足，对气体机的燃烧进行优化显得非常重要。而燃料喷射系统作为气体机的关键零部件，其性能直接影响发动机的动力性及排放性，燃料电控多点喷射的核心燃气喷射阀是气体部件之一，是气体机实现各缸稳定喷射的关键，因此，通过对燃气喷射阀流量特性和内部流场的分析研究，对指导整个燃料喷射系统具有重要意义同时对于燃气阀的设计和优化具有重要的参考价值。本文对燃气喷射阀的结构和原理进行了深入研究，并结合ANSYS CFD中的Fluent和

2、ICEM软件详细介绍了燃气阀的三维建模、网格划分和Fluent中边界条件的设置。利用ICEM中所建立的网格在Fluent中完成计算，从而得出燃气喷射阀在各种情况下的出口的质量流率，并用所得的16组数据绘制出出口质量流率的三维map图，实现对质量流率的标定。利用建立在燃气阀纵向界面的压力云图、密度云图、速度矢量图和涡流强度云图，结合燃气阀的结构对燃气阀内部流场进行分析。对燃气阀的设计和优化提供了重要的理论支持。关键词：气体燃料发动机；燃气喷射电磁阀；ANSYS CFD；质量流率；流场分析SummaryWith the rise of the natural gas industry, the s

3、tatus of gas engines and dual-fuel enginesin the market has become increasingly important. Gas engines have inherent advantages inemission performance compared to conventional diesel engines, but their power performanceis slightly insufficient. In order to make up for the lack of power performance o

4、f natural gasengines, it is very important to optimize the combustion of gas engines. The fuel injectionsystem as a key component of the gas engine, its performance directly affects the enginespower and emissions, the fuel gas-controlled multi-point injection of the core gas injectionvalve is one of

5、 the gas components, is the gas engine to achieve stable injection of eachcylinder The key, therefore, through the analysis of the flow characteristics and internal flowfield of the gas injection valve, it is of great significance to guide the entire fuel injectionsystem and has important reference

6、value for the design and optimization of the gas valve.In this paper, the structure and principle of the gas injection valve are studied in detailThe three-dimensional modeling, meshing and setting of the boundary conditions in theFluent valve are described in detail with Fluent and ICEM software in

7、 ANSYS CFD.Using the grid created by ICEM to complete the calculation in Fluent, the mass flow rateof the gas injection valve under various conditions is obtained, and the resulting data is usedto plot the three-dimensional map of the outlet mass flow rate to achieve the quality Flow ratecalibration

8、. The internal flow field of the gas valve was analyzed by using the pressure cloudmap, density cloud map, velocity vector diagram and vortex intensity cloud map built in thegas valve longitudinal interface, combined with the structure of the gas valve. It providesimportant theoretical support for t

9、he design and optimization of gas valves.Keywords: gas fuel engine, gas injection solenoid valve, ANSYS CFD, mass flow rate, flowfield analysis目录摘要ISummaryII第一章绪论11.1 引言11.2 气体燃料发动机燃气喷射系统的发展概况21.3 燃气喷射阀的进气方式31.3.1 进气总管混合喷射方式31.3.2 电控单点进气方式41.3.3 电控多点供气方式41.3.4 缸内直喷进气方式51.4 气体燃料喷射电磁阀的发展现状61.4.1 国外燃气喷

10、射阀的研究进展71.4.2 国内燃气喷射阀的研究进展91.5 本课题的研究意义91.6 本文的主要工作9第二章燃气喷射阀仿真模型的建立102.1 燃气喷射阀的选取102.1.1 燃气喷射阀结构简介102.1.2 燃气喷射阀的工作原理112.1.3 新型大流量燃气喷射阀的特点122.2 ANSYS Fluent CFD 建模软件介绍122.2.1 计算流体力学介绍122.2.2 CFD网格划分和流体计算132.3 燃气喷射阀模型网格划分与建模152.3.1 燃气喷射阀三维流域模型152.3.2 燃气喷射阀三维流域模型网格划分152.3.3 燃气喷射阀在Fluent中的仿真研究172.4 本章小结

11、18第三章燃气喷射阀流量特性研究193.1 燃气质量流率的数学计算193.2 质量流量随升程的变化193.3 质量流率随压差的变化213.4 燃气喷射规律三维map图的建立223.5 入口温度对喷射阀质量流率的影响223.6 本章小结24第四章燃气喷射阀内部流场分析254.1 燃气喷射阀内部压力研究254.1.1 工作压力为4bar时喷射阀内部压力云图254.1.2 工作压力为6bar时喷射阀内部压力云图274.1.3 工作压力为8bar时喷射阀内部压力云图284.1.4 工作压力为lObar时喷射阀内部压力云图294.2 燃气喷射阀内流场质量分数304.2.1 燃气喷射阀内部质量分数304.

12、2.2 燃气喷射阀出口处质量分数分布314.3 燃气喷射阀内部速度矢量334.4 燃气喷射阀内部涡流强度344.5 本章小结36第五章全文总结与工作展望385.1 全文总结385.2 工作展望39参考文献40致谢42第一章绪论第一章绪论1.1 引言随着世界经济的迅速发展，全球范围内能源短缺和环境问题越发突出。近年来，这一问题以将成为社会生产力的最大阻力。内燃机作为应用最为广泛的动力机械，在各行各业中都有着特别重要的应用，对现代工业技术的提高和人民生活水平的改善起着异常重要的作用。但是另一方面，内燃机在工作过程中会消耗大量的石油资源，并向大气中排放大量包括NOX, CO, SOX和CH的有害颗粒

13、物，热量和温室气体C02,他们对环境造成了持续而严重的破坏。这在另一方面又减缓了全球经济发展的速度。最近几年来，全球温室效应加剧，随着经济实力的提升，我国的环境问题也日益突出，河北山西等地持续出现较为严重的雾霾和PM2. 5超标现象。因此，为了保护生态环境不被摧毁，稳固经济的可持续发展，国家颁布了日益严格的排放法规来加大环境治理的力度，加快节能减排的步伐。因此，奋斗在科研前线的工作者正在通过探索各类方法以提高节能减排的效率,进而控制控制环境污染的态势。柴油机所用的燃料大多来自石油，但石油是不可再生资源，是国家经济和战略的命脉，对于世界各国的发展具有非常重要的作用。2018年4月23日，国际能源

14、署在北京发布石油市场报告2018预测了未来6年石油市场的动态，预计至2023年，全球石油需求量将达L 047亿/日，而全球炼油能力预计增加770万桶/日。因此，对于全球石油能源储备的压力与日俱增。我国石油探明储量为148亿桶，占世界探明储量的1. 1%,居世界第14位。而我国人口近14亿，约为世界总数的19%,陆地领地面积960万平方公里，世界排名第四，约为陆地总面积的6.67%,而中国目前正处于经济高速发展的阶段，这说明我国石油储量虽然丰富，但是巨大的人口基数使得人均占有量极少。世界石油资源的储量比为46年左右，而我国仅能维持11年左右的开采。由于经济快速发展的需要，中国从1993年开始就成

15、为了纯石油进口国，2009年成为仅次于美国的第二大石油消费国。预计到2020年，我国石油对外依存度将超过60%,而到2030年将超越美国成为全球最大的石油消费国。所以，我国经济的发展必将受制于石油短缺。对于日益严峻的资源形势。传统的柴油机越来越不能满足节能减排的要求，也不能满足新的排放法规要求。于是，以天然气为燃料的气体机和柴油-天然气双燃料发动机应运而生。他们拥有更好的排放性能和经济性，而动力性能也同样出色，于是，在近年来得到了广泛的应用和迅速的发展。天然气主要由甲烷（CH4）、乙烷、丙烷还有其他第一章绪论烷类气体组成的混合气，它是一种清洁燃料，现已成为继石油和煤炭之后的第三大能源。据天然气发展“十二五”规划中所示:我国已探明天然气储量为52万亿立方米，其中可开采量约32万亿立方米，天然气也因为丰富的储量而成为了最为理想的替代能源。天然气含有较高的辛烷值，抗爆性好，热效率高，能与空气迅速形成均匀混合气，从而燃烧更加充同时由于天然气的开采成本低，价格也比石油汽油等便宜得多。天然气的自然温度为6507300C远超过汽油和柴油的着火点，这使得