满足国V排放的稀燃天然气发动机工作过程模拟

【摘要】：天然气作为一种清洁型代用燃料受到人们的普遍关注，天然气发动机因为良好的燃料经济性和低排放性能被应用于运输车辆，但要满足我国的国V排放标准需要对发动机各项性能参数进行优化设计。本文将某型柴油机改装为天然气发动机，针对其动力性、经济性和排放性能的提高进行了一系列模拟仿真计算，仿真结果排放性能达到了国V排放标准。主要进行了以下工作： （1）搭建了柴油机的工作过程模型，在验证模型的有效性后，在此基础上搭建天然气发动机的工作过程模型，对其压缩比、空燃比以及点火提前角进行了优化，得到了合适的压缩比、空燃比和点火时刻MAP图。 （2）对不同气门重叠角进行计算，发现减小气门重叠角对降低NOx和THC排放有利。然后采用正交试验法对配气相位进行计算，通过对动力性、经济性以及排放性的折中考虑最终选择一组最佳配气相位。 （3）对天然气发动机匹配增压器进行模拟计算。结果表明，原增压器压气机对于改装后的天然气发动机流量偏大，外特性运行工况点大部分都在压气机的低效区域运行。通过计算匹配了新增压器，使天然气发动机的最大功率比采用原增压器高3.9%，而且发动机的动力性能接近原柴油机水平。 （4）分析了不同负荷下EGR率对NOx、HC和CO排放的影响。分别针对无EGR和有EGR的发动机模型进行了十三工况排放计算，比较排放结果发现，添加EGR后发动机排放除CH4排放外均能达到国V排放标准，而对于CH4的达标可采用DOC进行后处理。 （5）建立EGR系统三维模型,通过对瞬态计算得到进气歧管EGR不均匀度为27.4%，均匀性较差主要表现为2缸EGR率最小，1缸EGR率次之。提出减小稳压腔长度，分离进气歧管2、3和4、5的入口，并保证各进气歧管入口直径相同。 【关键词】：天然气发动机 稀燃 正交试验法 增压器匹配 EGR均匀性
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK431
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 符号说明9-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究背景10
• 1.2 天然气发动机国内外研究历史和现状10-17
• 1.2.1 天然气发动机的发展历史10-11
• 1.2.2 天然气发动机的国内外发展现状11-17
• 1.2.2.1 燃烧方式11-15
• 1.2.2.2 混合气组织形式15-17
• 1.3 本文主要工作内容17-18
• 第二章 天然气发动机基本参数优化18-42
• 2.1 BOOST 工作理论基础18-19
• 2.2 发动机模型的建立及验证19-20
• 2.3 压缩比对发动机性能的影响20-22
• 2.3.1 压缩比对发动机动力性和经济性影响21
• 2.3.2 压缩比对发动机缸内压力和压力升高率影响21-22
• 2.4 空然比对发动机性能的影响22-25
• 2.4.1 空然比对动力性和经济性的影响23
• 2.4.2 空燃比对排放的影响23-25
• 2.5 点火提前角对发动机性能的影响25-29
• 2.5.1 点火提前角对发动机动力性和经济性影响25
• 2.5.2 点火提前角对缸内燃烧压力的影响25-27
• 2.5.3 不同转速的点火提前角27-28
• 2.5.4 点火提前角对排放的影响28-29
• 2.6 配气相位优化29-35
• 2.6.1 气门重叠角计算29-32
• 2.6.1.1 气门重叠角对动力性和经济性的影响30-31
• 2.6.1.2 气门重叠角对排放的影响31-32
• 2.6.2 正交试验法优化配气相位32-35
• 2.6.2.1 正交试验法原理32
• 2.6.2.2 正交试验计算结果32-35
• 2.7 涡轮增压器匹配35-39
• 2.7.1 增压器的匹配要求35
• 2.7.2 增压器工作理论基础35-36
• 2.7.3 增压器匹配计算36-39
• 2.8 发动机试验39-40
• 2.9 本章小结40-42
• 第三章 天然气发动机 EGR 模拟42-62
• 3.1 推迟点火提前角降低 NOx 排放42-43
• 3.2 EGR 系统介绍43-44
• 3.2.1 EGR 抑制 NOx 生成机理43
• 3.2.2 EGR 系统类型43-44
• 3.3 EGR 系统计算44-46
• 3.3.1 进排气压力比较44-45
• 3.3.2 文丘里管尺寸计算45-46
• 3.4 EGR 发动机工作过程模拟46-51
• 3.4.1 带 EGR 发动机模型建立46-47
• 3.4.2 EGR 对发动机动力性和经济性影响47-48
• 3.4.3 EGR 对排放性能影响48-49
• 3.4.4 十三工况排放计算49-51
• 3.5 EGR 均匀性数值模拟51-61
• 3.5.1 数值模拟理论基础52
• 3.5.2 进气歧管网格划分52-53
• 3.5.3 稳态模拟53-55
• 3.5.4 瞬态模拟55-61
• 3.6 本章小结61-62
• 第四章 论文总结及工作展望62-64
• 4.1 论文总结62-63
• 4.2 工作展望63-64
• 参考文献64-67
• 致谢67-68
• 攻读学位期间所取得的相关研究成果68

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