【摘 要】
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在我国努力实现碳达峰、碳中和的背景下,甲醇作为可再生能源具有巨大的节能减排潜力,因此研究与开发柴油/甲醇双燃料发动机受到了越来越多的关注。柴油/甲醇双燃料发动机进气管路内存在压力脉动以及复杂的流动过程,如果能合理地设计进气管路的结构参数如管长、管径和容积等,便能够有效利用进气谐振效应,改善甲醇与空气的混合效果和提高进气效率,从而提高柴油/甲醇双燃料发动机整体动力性与经济性。通过数值模拟方法,研究进
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在我国努力实现碳达峰、碳中和的背景下,甲醇作为可再生能源具有巨大的节能减排潜力,因此研究与开发柴油/甲醇双燃料发动机受到了越来越多的关注。柴油/甲醇双燃料发动机进气管路内存在压力脉动以及复杂的流动过程,如果能合理地设计进气管路的结构参数如管长、管径和容积等,便能够有效利用进气谐振效应,改善甲醇与空气的混合效果和提高进气效率,从而提高柴油/甲醇双燃料发动机整体动力性与经济性。通过数值模拟方法,研究进气管路的结构参数并对其内部形状进行改进优化,对提升发动机的进气效率及性能,具有重要的工程价值和研究意义。以某四缸柴油/甲醇双燃料发动机为研究对象,建立其工作过程一维仿真计算模型,研究不同进气结构参数对整机进气及性能的影响,基于试验设计和响应面法,对发动机进气管不同结构参数进行多目标优化。结合进气管的最优结构参数,建立发动机进气管CFD数值仿真模型,研究进气管内混合气流动特性并对其内部形状进行改进优化。得到的研究结果如下:(1)在转速1600、2400r/min、负荷80%、甲醇替代率25%两个工况下,改变进气总管直径、进气歧管长度以及配气相位对柴油/甲醇双燃料发动机进气及性能影响较大,同时随着海拔高度的增加,上述结构参数的改变对于进气及性能的影响更加明显。改变进气总管长度、进气歧管直径、谐振腔容积对进气及性能影响较小,不同海拔下的变化趋势基本保持一致。(2)选取进气总管直径、进气正时、进气持续时间、进气歧管直径以及长度作为设计变量,通过全因子法进行试验设计,建立不同海拔下的二次多项式响应面模型。以综合扭矩以及综合当量燃油消耗率作为优化目标,采用NSGA-II遗传算法进行多目标优化,得到进气持续时间基本保持不变,进气歧管直径和进气歧管长度以及进气正时增大,增大幅度分别为26.6%、76.7%以及17.8%。进气总管直径减小,减小幅度为11.1%。发动机的综合性能得到了提升,综合扭矩由323.1N·m增加到353.2N·m,提高了9.4%,综合当量燃油消耗率由233.4g/k W·h减少到223.3g/k W·h,降低了4.3%。(3)不同海拔高度下进气管的各部分区域流速规律基本保持一致。连接切向进气道的进气歧管的流速以及湍动能都大于连接螺旋进气道的进气歧管。随着喷射压力的增大,甲醇在进气歧管内的喷射范围更广,进气歧管内的湍动能也越大。改变进气总管在竖向的长度,增加谐振腔的中央部分容积和减少谐振腔两端容积,优化后的各进气歧管流速差距以及湍动能相较于优化前减小,提高了各缸进气的均匀性。优化后的谐振腔整体流速变大以及湍动能变小,谐振腔横截面速度最大值由34.0m/s增加到38.4m/s,提高了12.9%,谐振腔横截面湍动能最大值由29.9m~2/s~2减少到25.3m~2/s~2,降低了15.3%。
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