摘 要

随着石油资源的过度使用，环境污染越来越严重，寻找汽油的可替代燃料越来越重要。与原汽油燃料相比较，乙醇具有辛烷值高、燃烧速度更快以及抗爆震性好等特点，在生产和使用中对环境无污染等优点，所以研究含水乙醇汽油的燃烧性能是有必要的。为了提高含水乙醇汽油的燃烧速率，本文在燃烧系统方面提出以下方案：进气道可以适当的增大喉口角度，燃烧室方面可以适当增加压缩比和用凹坑活塞顶设计，增加燃烧速率；火花塞则是进行单置和双置的设计。随后以含水乙醇汽油为研究对象，研究了其在不同喷雾角度下的壁面油膜厚度和缸内的燃烧过程，与纯汽油进行了对比分析，分析了其油气混合过程，最后通过CFD模拟计算了含水乙醇汽油在双火花塞设置下的燃烧情况并对比了单火花塞布置与双火花塞布置时的火焰形状和火焰传播速度。

主要结论有：含水乙醇汽油蒸发性不如纯汽油，纯汽油在气门开启前蒸发更充分，然后在气道中形成混合更加充分的混合气；由于汽油的蒸发性好，所以在气道及气缸壁面形成的油膜质量较少，在燃烧过程初期，两种燃料火焰传播速度基本一致，由于含水乙醇汽油附在缸壁上较多的油膜质量，导致后燃较为严重；含水乙醇汽油的OH自由基是多于纯汽油的，虽然有局部NOx排放高的区域，但蒸发潜热较高，导致燃烧温度较低，并减缓了生成NOx的过程，但整体上与纯汽油相比，NOx排放基本一致；在整个燃烧过程中，双火花塞设置的气缸压力和热释放率均要好于单火花塞设置，并且火焰增长速率也要快于单火花塞，燃烧的更迅速更充分。通过CFD模型验证了该设计方案的可行性。

关键词：CFD；含水乙醇汽油；燃烧室；进气道设计；壁面油膜；火花塞设计

Abstract

With the overuse of petroleum resources, environmental pollution is becoming more and more serious, so it is more and more important to find alternative fuels for gasoline. Compared with the original gasoline fuel, ethanol has the advantages of high octane number, faster combustion rate and good knock resistance, and has no pollution to the environment in production and use. Therefore, it is necessary to study the combustion performance of ethanol gasoline with water. In order to improve the burning rate of hydrated ethanol gasoline, the following schemes are proposed in terms of combustion system：intake port can appropriately increase the throat angle, combustion chamber can appropriately increase compression ratio and use pit piston top design, increase combustion rate, spark plug is designed for single and double; Then, the oil film thickness on the wall and combustion process in the cylinder of ethanol gasoline with different spray angles were studied, and compared with pure gasoline, the mixing process of oil and gas was analyzed. Finally, the combustion of ethanol gasoline with water was simulated by CFD, and the flame shape and flame propagation velocity of single spark plug arrangement and double spark plug arrangement were compared.

The main conclusions are as follows: the vaporization of ethanol gasoline is not as good as that of pure gasoline, and the pure gasoline evaporates more fully before the valve is opened, and then forms a more fully mixed mixture in the airways; because the vaporization of gasoline is good, Therefore, the quality of oil film formed on the air channel and cylinder wall is less. In the early combustion process, the flame propagation speed of the two fuels is basically the same. Because of the more oil film mass attached to the cylinder wall by the ethanol gasoline with water, the post-combustion is more serious. Although there are some regions with high NOx emission, the latent heat of evaporation is higher, which leads to lower combustion temperature and slows the formation of NOx. In the whole combustion process, the cylinder pressure and heat release rate of the double spark plug are better than that of the single spark plug, and the flame growth rate is also faster than that of the single spark plug. Burn faster and more fully. The feasibility of the design is verified by CFD model.

Keywords：CFD；Ethanol gasoline；combustion chamber；Intake port design；wall oil film；spark plug design

目录

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1本文研究的背景和意义 1

1.2含水乙醇汽油的研究现状 1

1.3汽油气道喷射汽油机燃烧系统的设计的研究现状 2

第2章 燃烧系统的设计

2.1进气道方案的设计 4

2.2 燃烧室的设计 5

2.3火花塞的设计 8

2.4 本章小结 9

第3章 CFD数值计算模型的建立

3.1 CONVERGE软件介绍 10

3.2 CFD流动控制方程 11

3.3仿真计算模型的选择 11

3.3.1喷雾和燃烧模型的选择 11

3.3.2 缸内湍流模型的选择 13

3.4 边界条件和初始条件 13

3.5 本章小结 14

第4章 结果与讨论

4.1喷雾和空气燃料形成过程 15

4.2纯汽油和含水乙醇汽油的燃烧特征的比较 21

4.2.1气缸压力和放热率的比较 21

4.2.2 OH和NOx的比较 22

4.2.3温度的比较 24

4.3 火花塞对燃烧过程的影响 27

4.4本章小结 30

第5章 总结与展望

5.1总结 31

5.2展望 31

参考文献

致谢

第1章 绪论

1.1本文研究的背景和意义

内燃机自诞生以来，就被广泛应用于机械领域（轮船、汽车和飞机等）。由于其具有结构紧凑、功率大以及能够提供较高的驱动力，在汽车领域，内燃机被作为动力装置而广泛使用。内燃机的存在给人类带来了诸多便利也促进了社会的发展，然而也带来了许多问题，比如排放物（NOx、HC和CO等）过量引起的环境污染和温室效应，还有就是化石能源过多使用面临枯竭的问题。

随着全球经济的发展，原油产品的消费量在全球各地迅速增长。化石燃料的突出使用，如全球变暖、化石燃料资源枯竭、环境恶化等问题，已成为威胁人类社会持续发展和可持续发展的严峻挑战。而人口增加所造成的人口流动性的增强、大量商品的生产和消耗、以及大规模的交通运输，将严峻地考验地球上的能源储备。同时，化石燃料的大量使用也牵扯到环境污染和人类身体健康等问题，因此清洁高效的能源也越发受到重视。今天市场上已经出现许多煤炭、石油和天然气的替代品：水、核能、太阳能、风能、地热和潮汐能。然而据报导^[1]：在接下来几十年中，对于中国、印度等亚洲发展中国家，化石燃料仍旧将作为主要的能源来源，而且将占到全球总能源消耗30%。由于产生大量温室气体的排放并有危害于环境，化石燃料燃烧已被列为造成全球气候变迁的主要因素，从欧盟（EU-27）早在2010年对于温室气体来源的统计中便可见，80%的温室气体排放与能源相关，63%直接来自燃料的燃烧，其中20%的燃料消耗来自交通运输^[2]。另外，氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）和由于其未完全燃烧产生的碳氢化合物（HC）和碳烟（Soot）排放对环境、人体健康同样有着较大的不良影响^[3]。因此，寻找高效、清洁的替代燃料仍旧是研究的热门，在此环境下，生物燃料是较好的选择。

1.2含水乙醇汽油的研究现状

乙醇的物理和化学性质决定了其在内燃机中的燃烧和排放特性以及发动机的运行条件。乙醇与纯汽油对比，有如下特点^[4]：（1）乙醇的低热值为26.9MJ/kg，而汽油的低热值为44.0MJ/kg。乙醇的低热值大约为汽油的一半左右，因此在相同的发动机输出功率下，燃用乙醇或者乙醇与汽油的混合燃料会使油耗增加；（2）乙醇为含氧燃料，分子中含有34.7%的氧元素，因此其燃烧温度和燃烧效率与汽油相比较高；（3）乙醇的蒸发潜热在900-920kJ/kg之间，而纯汽油则为380-400kJ/kg。相对较高的气化潜热可以增加发动机的充气效率；（4）乙醇的H/C比为3，汽油的H/C比是1.795，因此乙醇的绝热火焰温度较低；（5）乙醇的辛烷值较高，从而可以有效避免燃料的早燃^[5]，进而可以增加汽油机的点火提前角和压缩比，获得更高的燃烧效率；（6）在100kPa, 325 K环境下，乙醇的层流火焰速率为39cm/s，高于汽油的33 cm/s，燃烧在缸内燃烧速率较快，燃烧较早结束；（7）添加乙醇可增加乙醇汽油混合燃料的辛烷值，可以优化石油精炼过程，增加经济性。然而，乙醇作为燃料的在使用方面仍存在一些不足之处：（1）乙醇的能量密度较低；（2）较低的饱和蒸汽压会导致例如乙醛等非常规排放；（3）乙醇具有较强的腐蚀性，会腐蚀油箱等含铁的部件；（4）乙醇为三原子状分子结构，其气体分子热容较高，而燃气温度低；（5）在低温下的蒸发不良可能会导致用乙醇燃料的发动机冷启动困难。上述的乙醇的相关特性在实际工作过程中对于发动机的影响是非常复杂的过程，不同的发动机类型，不同的操作条件以及不同的混合比率都会有不同的效果。