大型天然气发动机工作循环数值模拟分析

【摘要】：采用预混合稀薄燃烧技术的大型天然气发动机无需加装排放后处理装置就能满足国际海事组织(IMO) Tier3排放法规要求。而且由于天然气价格低、资源丰富,大型天然气发动机的运行成本也比传统柴油机大大降低。因此,大型天然气发动机是举世公认的绿色节能动力装置,相关研究是世界大型发动机界的热门研究课题。 论文针对某型号大型天然气发动机整机性能开展工作循环一维数值模拟研究,根据大型天然气发动机的特点,进行了燃烧系统设计、燃料供给策略及进气定时策略设计、涡轮增压器匹配等研究。通过模拟计算预测不同方案中气体燃料发动机在标定工况及其他工况下的基本性能,并将标定工况的动力性与经济性数据与其原柴油机-某型号船用柴油机进行比较,分析重要运行参数变化的原因以及验证大型天然气发动机的动力性是否满足使用要求。同时,根据计算得到的标定工况和不同负荷下的天然气发动机的进气流量、涡轮增压器的压比等参数,对涡轮增压器进行选型与验证。此外,在气体燃料发动机标定工况下应用Miller循环,比较应用Miller循环前后发动机的运行参数的变化,探讨Miller循环对于气体燃料主机排放和有效热效率的影响。 整机工作过程模拟计算结果表明,所设计的大型天然气发动机的动力性和经济性与其原柴油机相当,天然气发动机可以与原柴油机所使用的涡轮增压器良好匹配,应用Miller循环可以有效的降低天然气发动机气缸内的温度。 【关键词】：天然气 大型发动机 工作过程 数值模拟
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TK432
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-24
• 1.1 引言9-12
• 1.2 天然气的重要战略地位及其性质12-14
• 1.2.1 天然气的重要战略地位12
• 1.2.2 天然气的性质12-14
• 1.3 国内外天然气发动机的发展状况14-17
• 1.3.1 天然气发动机的发展历程14
• 1.3.2 天然气发动机国内外发展现状14-16
• 1.3.3 天然气发动机在船舶上的应用状况16-17
• 1.4 天然气发动机的类型及其应用技术简介17-23
• 1.4.1 双燃料发动机17-19
• 1.4.2 单一气体燃料发动机19-22
• 1.4.3 Miller循环在大功率天然气发动机上的应用22-23
• 1.5 本文的研究目的及主要研究内容23-24
• 1.5.1 研究对象及研究目的23
• 1.5.2 研究内容23-24
• 2 发动机工作过程模拟计算理论背景24-31
• 2.1 气缸模型24-29
• 2.1.1 气缸做功的计算24-25
• 2.1.2 气缸燃烧模型25-28
• 2.1.3 气缸传热模型28-29
• 2.2 管道计算模型29
• 2.3 涡轮增压器计算模型29-30
• 2.4 本章小结30-31
• 3 工作过程计算模型的建立31-46
• 3.1 预燃室火花点火天然气发动机31-39
• 3.1.1 燃烧系统的选择31-32
• 3.1.2 燃料供给方式的确定32-33
• 3.1.3 点火方式的选择33-34
• 3.1.4 负荷控制方式34
• 3.1.5 计算模型的建立34-35
• 3.1.6 重要参数的设定35-37
• 3.1.7 不同负荷计算模型参数的设定37-38
• 3.1.8 Miller循环方式的选择38-39
• 3.2 燃气缸外喷射预混合燃烧(Otto循环)双燃料发动机39-42
• 3.2.1 燃烧系统的选择39-40
• 3.2.2 燃料供给方式的选择40-41
• 3.2.3 负荷控制方式41
• 3.2.4 计算模型的建立41
• 3.2.5 不同负荷计算模型参数的设定41-42
• 3.2.6 Miller循环方式的选择42
• 3.3 燃气高压喷射扩散燃烧(Diesel循环)双燃料发动机42-45
• 3.3.1 燃烧系统与燃料供给方式的选择42-44
• 3.3.2 负荷控制方式44
• 3.3.4 计算模型的建立44
• 3.3.5 不同负荷计算模型参数的设定44
• 3.3.6 Miller循环方式的选择44-45
• 3.4 本章小结45-46
• 4 计算结果分析46-63
• 4.1 预燃室火花点火天然气发动机46-53
• 4.1.1 标定工况下的计算结果46-47
• 4.1.2 不同负荷的计算结果47-49
• 4.1.3 涡轮增压器的匹配情况49-50
• 4.1.4 Miller循环对缸内温度的影响50-52
• 4.1.5 Miller循环对经济性的影响52
• 4.1.6 Miller循环对于涡轮增压器的要求52-53
• 4.2 燃气缸外喷射预混合燃烧(Otto循环)双燃料发动机53-58
• 4.2.1 标定工况下的计算结果53-54
• 4.2.2 涡轮增压器的匹配情况54-55
• 4.2.3 Miller循环对气缸有效压缩比的影响55
• 4.2.4 Miller循环对缸内温度的影响55-57
• 4.2.5 Miller循环对经济性的影响57
• 4.2.6 Miller循环对于涡轮增压器的要求57-58
• 4.3 燃气高压喷射扩散燃烧(Diesel循环)双燃料发动机58-62
• 4.3.1 标定工况下的计算结果58-59
• 4.3.2 涡轮增压器的匹配情况59-60
• 4.3.3 Miller循环对缸内温度的影响60-61
• 4.3.4 Miller循环对经济性的影响61-62
• 4.3.5 Miller循环对于涡轮增压器的要求62
• 4.4 本章小结62-63
• 5 气体燃料主机开发总结63-65
• 5.1 三种方案标定工况下的性能比较63-65
• 6 全文总结与展望65-66
• 6.1 全文总结65
• 6.2 展望65-66
• 参考文献66-69
• 附录A 有关瞬时放热率的数据处理69-72
• 致谢72-73

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