废气再循环对天然气/柴油发动机性能的影响

【摘要】：天然气/柴油双燃料发动机小负荷时，HC和CO的排放量较高，可以通过减小过量空气系数来控制HC和CO的排放量，但是会产生较多的NOX，通常可以采用EGR来降低NOX排放量。本文研究低负荷过量空气系数较小时，EGR对天然气/柴油双燃料发动机性能的影响。 首先搭建了天然气/柴油双燃料发动机试验台架，在试验的基础上，利用三维仿真软件STAR-CD建立了数值模拟平台，并完成了模型的调试和验证。转速选取1335r/min，保持柴油的质量流量为1.42kg/h，天然气的质量流量为11.02kg/h，喷油压力为70Mpa，喷油时刻为压缩上止点前7°CA，天然气的喷气时刻为压缩上止点前315°CA，总体过量空气系数为1.4，用试验的方法研究EGR率对天然气/柴油双燃料发动机燃烧性能和排放性能的影响，用试验与模拟相结合的方法研究CO2掺混率对天然气/柴油双燃料发动机燃烧性能和排放性能的影响。 双燃料发动机的燃烧过程大体可分为柴油的滞燃期，柴油的急燃期，天然气的滞燃期，柴油的后燃期，天然气的急燃期和天然气的后燃期，相邻各个燃烧阶段之间并没有明显的界限，是相互影响，相互耦合的。与柴油相比，天然气燃烧持续期要长的多。双燃料发动机的第一放热率峰值主要是由柴油的预混合燃烧形成的，第二放热率峰值主要是由天然气的快速燃烧形成的。 随着EGR率和CO2掺混率的增加，稀释气体所占据的空间逐渐增大，氧气浓度逐渐降低；缸内工质质量和比热容增加，工质热容增大，吸收的热量逐渐增多，缸内温度逐渐下降：导致滞燃期和燃烧持续期逐渐增长，燃烧质量逐渐恶化，NOX排放量逐渐降低，HC和CO排放量呈现增加的趋势。研究表明柴油开始着火的位置在油束中心和外围空气之间混合气浓度适中的区域，天然气的着火位置与柴油的相同，天然气是由柴油引燃的；在燃烧室底部靠近气缸壁的区域以及活塞顶和缸盖之间的区域产生的NO较多，在燃烧室底部靠近气缸轴线的区域剩余的天然气较多。 当EGR率等于11.5%时，EGR率对发动机燃烧性能的影响不大，NOX、HC和CO的排放量都比较理想。当CO2掺混率等于8.4%时，CO2掺混率对发动机燃烧性能的影响不大，NOX、HC和CO的排放量都比较理想。与真实EGR相比，CO2对天然气/柴油双燃料发动机燃烧和排放性能的影响更显著。 【关键词】：天然气发动机 双燃料 废气再循环 数值模拟 燃烧排放
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK401
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 目录7-11
• 第1章 绪论11-27
• 1.1 环境与能源11-12
• 1.2 发动机污染物和排放法规12-14
• 1.3 代用燃料14-15
• 1.4 天然气发动机15-16
• 1.5 双燃料发动机16-21
• 1.5.1 双燃料发动机的发展历史16-17
• 1.5.2 天然气/柴油双燃料发动机的工作过程17-18
• 1.5.3 天然气/柴油双燃料发动机的相关术语18-19
• 1.5.4 天然气/柴油双燃料发动机的优缺点19-20
• 1.5.5 天然气/柴油双燃料发动机的研究现状20-21
• 1.6 废气再循环技术21-24
• 1.6.1 废气再循环的分类21-22
• 1.6.2 废气再循环在发动机上的应用22-23
• 1.6.3 进气中添加稀释气体对发动机性能的影响23-24
• 1.6.4 EGR 在天然气/柴油双燃料发动机上应用的研究现状24
• 1.7 本研究的主要内容24-27
• 第2章 试验平台的建立及研究方案27-31
• 2.1 试验研究对象27
• 2.2 试验仪器及设备27-28
• 2.3 试验台架布置28
• 2.4 试验方案的确定28-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第3章 数值模拟平台的建立及研究方案31-43
• 3.1 CFD 技术31-32
• 3.1.1 CFD 技术简介31
• 3.1.2 STAR-CD 技术介绍31-32
• 3.2 数值仿真平台的建立32-36
• 3.2.1 计算网格的建立32-34
• 3.2.2 模型及算法的选择34-36
• 3.3 模型验证36-40
• 3.3.1 计算服务器配置37
• 3.3.2 计算条件的选择37-38
• 3.3.3 模型验证38-40
• 3.4 研究方案的确定40
• 3.5 本章小结40-43
• 第4章 EGR 对天然气/柴油双燃料发动机燃烧性能的影响43-69
• 4.1 EGR 率对燃烧性能的影响43-48
• 4.1.1 EGR 率对转矩和比燃料消耗率的影响43-44
• 4.1.2 EGR 率对压力和最大压力升高率的影响44-45
• 4.1.3 EGR 率对平均温度和放热率的影响45-46
• 4.1.4 EGR 率对放热率峰值及其位置的影响46-47
• 4.1.5 EGR 率对燃烧始点和燃烧重心的影响47-48
• 4.2 CO_2掺混率对燃烧性能的影响48-53
• 4.2.1 CO_2掺混率对转矩和比燃料消耗率的影响48-49
• 4.2.2 CO_2掺混率对压力和最大压力升高率的影响49-50
• 4.2.3 CO_2掺混率对平均温度和放热率的影响50-51
• 4.2.4 CO_2掺混率对放热率峰值及其位置的影响51-52
• 4.2.5 CO_2掺混率对燃烧始点和燃烧重心的影响52-53
• 4.3 CO_2掺混率对燃烧性能影响的数值模拟分析53-67
• 4.3.1 宏观参数分析53-59
• 4.3.2 微观参数分析59-67
• 4.4 本章小结67-69
• 第5章 EGR 对天然气/柴油双燃料发动机排放性能的影响69-85
• 5.1 EGR 率对排放性能的影响69-71
• 5.1.1 EGR 率对 HC 和 NO_X排放量的影响69-71
• 5.1.2 EGR 率对 CO 和 CO_2排放量的影响71
• 5.2 CO_2掺混率对排放性能的影响71-74
• 5.2.1 CO_2掺混率对 HC 和 NO_X排放量的影响72-73
• 5.2.2 CO_2掺混率对 CO 和 CO_2排放量的影响73-74
• 5.3 CO_2掺混率对排放性能影响的数值模拟分析74-82
• 5.3.1 宏观参数分析74-76
• 5.3.2 微观参数分析76-82
• 5.4 本章小结82-85
• 第6章 全文总结及工作展望85-89
• 6.1 全文总结85-88
• 6.2 工作展望88-89
• 参考文献89-94
• 作者简介及科研成果94-95
• 致谢95

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