天然气/柴油双燃料发动机喷气策略研究

【摘要】：天然气/柴油双燃料发动机因其高压缩比等优点被人们广泛重视,但现在还存在着一些问题,如低负荷THC排放高,高负荷发动机爆震等,本文结合课题研究小组前期对双燃料发动机的研究结果,针对天然气喷气策略展开研究,分析其对双燃料发动机性能的影响。前期研究表明,喷气策略对火花点燃式发动机的工作过程有显著的影响,但是火花点燃式发动机和柴油引燃天然气发动机的工作过程有着本质的区别,所以需要考察喷气策略对柴油引燃天然气发动机燃烧及排放性能的具体影响规律,为今后柴油引燃天气发动机的设计与开发提供数据积累。本文研究内容包括试验研究和模拟计算研究两部分,试验研究部分是结合过量空气系数,研究喷气方向和喷气时刻对双燃料发动机性能的影响,模拟计算研究部分是分析喷气时刻和喷气方向对天然气微观场的影响。研究方法包括试验研究和模拟研究,研究过程包括试验和模拟计算平台的搭建,试验和模拟方案的撰写,后期对关键参数的分析。研究结果如下所示:天然气喷气时刻对发动机缸内混合气浓度分布势必有一定的影响,从微观方面来看,天然气喷气时刻可以造成不同的梯度的天然气微观场,随着喷气时刻的推迟,天然气浓度场逐渐由上稀下浓变为上浓下稀状态;从宏观来看,针对柴油引燃天然气发动机而言,多点同时着火使得天然气喷射时刻对发动机工作过程影响不大,但是当喷气时刻过分提前或推迟,会导致发动机在吸气冲程天然气不能随空气顺利完全进入缸内,部分滞留在进气道的天然气会在下一发动机工作循环进入气缸,进而导致了发动机燃烧及排放性能的恶化;喷气时刻对缸压和放热率等这些燃烧参数影响还是比较大的,不同的过量空气系数下影响效果不同,特别是在过量空气系数比较小时候,这些参数随喷气时刻变化特别明显;在低过量空气系数下,喷气时刻对排放的影响比较明显,喷气特别推迟或者特别提前,THC排放都会有所上升。综合考虑,选择喷气时刻为300°CA BTDC左右时候,燃烧和排放比较理想。天然气喷气方向对双燃料发动机性能影响比喷气时刻影响小许多,在研究了与进气道轴线呈45度和90度对双燃料发动机性能的影响,从微观来看,喷气方向对天然气微观场影响不大,轴向浓度变化不大,径向浓度有所变化;从宏观来看,与进气道轴线所成角度越大,混合气越均匀,燃烧和排放效果越好,但是某些进气角度会与进气道的进气形状形成干涉,造成燃烧和排放效果变差。过量空气系数对双燃料发动机的影响非常明显,转矩随过空气系数的减小先上升后下降,最大缸压先上升后下降,THC排放先上升后下降。说明空气的浓度对天然气和柴油的燃烧影响都至关重要,所以在不同的空气浓度下,改变天然气的微观场会得到不同的燃烧和排放效果,而通过改变喷气策略可以得到不同的天然气微观场。 【关键词】：天然气 柴油 双燃料 喷气时刻 喷气方向 微观场
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK431
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 环境与能源问题11-13
• 1.2 排放法规13-15
• 1.3 代用燃料15-19
• 1.4 天然气/柴油双燃料发动机19-20
• 1.5 天然气/柴油双燃料发动机的研究现状20-21
• 1.6 喷气策略研究现状21-22
• 1.7 本研究的意义及主要内容22-23
• 第2章 发动机试验平台的建立及研究方案23-33
• 2.1 试验所用发动机23-24
• 2.2 发动机试验所用测控设备24-26
• 2.3 发动机试验台架布置26-28
• 2.4 发动机天然气喷管设计28-30
• 2.4.1 原机天然气喷管28-29
• 2.4.2 设计的变方向喷管29-30
• 2.5 本研究的试验方案30-31
• 2.6 本章小结31-33
• 第3章 CFD数值模拟平台的建立及研究方案33-39
• 3.1 CFD技术研究现状33-34
• 3.2 仿真平台的建立34-37
• 3.2.1 STAR-CD34
• 3.2.2 几何模型34-35
• 3.2.3 计算模型35-36
• 3.2.4 服务器配置36-37
• 3.2.5 模型验证37
• 3.3 研究方案的确定37-38
• 3.4 本章小结38-39
• 第4章 喷气时刻对双燃料发动机性能影响39-59
• 4.1 过量空气系数对双燃料发动机性能的影响39-45
• 4.1.1 过量空气系数对转矩和比油耗的影响40-41
• 4.1.2 过量空气系数对缸内压力的影响41
• 4.1.3 过量空气系数对放热率的影响41-42
• 4.1.4 过量空气系数对CA10和CA50的影响42-43
• 4.1.5 过量空气系数对排放的影响43-45
• 4.2 不同过量空气系数下喷气时刻对发动机性能的影响45-56
• 4.2.1 喷气时刻对转矩的影响46
• 4.2.2 喷气时刻对缸内压力的影响46-49
• 4.2.3 喷气时刻对放热率的影响49-53
• 4.2.4 喷气时刻对CA10和CA50的影响53-54
• 4.2.5 喷气时刻对IMEP循环变动的影响54-55
• 4.2.6 喷气时刻对排放的影响55-56
• 4.3 喷气时刻对天然气微观场的影响56-57
• 4.4 本章小结57-59
• 第5章 喷气方向对双燃料发动机性能影响59-77
• 5.1 喷气方向对燃烧过程的影响59-73
• 5.1.1 喷气方向对转矩的影响60-61
• 5.1.2 喷气方向对缸内压力的影响61-65
• 5.1.3 喷气方向对放热率的影响65-68
• 5.1.4 喷气方向对CA10和CA50的影响68-69
• 5.1.5 喷气方向对IMEP循环变动的影响69-70
• 5.1.6 喷气方向对排放的影响70-73
• 5.2 喷气方向对天然气微观场的影响73-75
• 5.3 本章小结75-77
• 第6章 全文总结及工作展望77-81
• 6.1 全文总结77-79
• 6.2 工作展望79-81
• 参考文献81-85
• 作者简介与科研成果85-86
• 致谢86

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