16V240ZJ型机车柴油机应用天然气燃料仿真分析研究

【摘要】： 随着对石油产品需求的不断增加,世界上勘测到的石油储备已呈明显不足,这对许多国家的能源安全构成了威胁。而且随着石油的不断消耗对环境的污染更加严重。这就构成了全球最关注的两大热点问题,即能源和环境问题。现代科技和社会以前所未有的速度发展,这些都对机车发动机这一传统的动力装置提出了许多新的挑战,对机车发动机的动力性、经济性、耐久性以及排放方面提出了越来越高的要求。只有不断推陈出新,提出新概念、新技术,机车发动机才有可能不被社会的发展所淘汰。由于机车柴油机油消耗高和输出功率较大,并且排气流量达到2~8kg/s,形成局部范围极高的大气污染。围绕着低能耗和减少有害排放物这两个主要问题,积极开发新能源,寻找代用燃料是必然的选择。天然气具有价格低、污染低的优点而受到了人们的广泛关注。研发天然气机车发动机是解决传统能源危机的一个有效办法。 本论文利用GT-POWER模拟计算软件,它是专门用于发动机稳态和瞬态仿真计算的软件。在论文中,首先详细介绍模拟计算软件GT-POWER的计算理论和计算算法,包括缸内工作过程,管内的气体流动、壁温传热、以及燃烧模型和排放模型等。对16V240ZJ型柴油机建立整机模型,包括进气系统、排气系统、气缸、曲轴箱、燃料供给系统、压气机、涡轮机等几部分。对柴油机的定工况进行了仿真计算,并进行结果的调试和分析。计算得出缸内压力、缸内温度、燃料消耗率等。将模拟结果与实验相对比,来验证模型的准确性。再在此准确模型的基础上通过改变燃料供给系统和结构参数等,来分析天然气燃料在内燃机车上的应用。分析燃烧天然气情况下,发动机的动力性、经济性和排放性的相互影响。 本论文通过对多种改造方案的分析与研究,得出机车发动机燃烧天然气燃料情况下的最佳改造方案。为以后进行台架试验和改进机车发动机的性能提供依据。 【关键词】：天然气 发动机 系统仿真 性能分析 GT-POWER
【学位授予单位】：大连交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：U262.11
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 研究的目的和意义10-12
• 1.2 研究现状12-14
• 1.3 内燃机仿真计算14-15
• 1.4 论文研究的主要内容15-16
• 本章小结16-17
• 第二章 仿真理论及数学模型17-38
• 2.1 缸内工作过程基本方程18-21
• 2.1.1 基本假设18-19
• 2.1.2 基本方程19-21
• 2.2 流体流动模型基本原理21-23
• 2.3 缸内周壁传热模型23-24
• 2.4 缸内燃烧模型24-27
• 2.4.1 燃烧模型介绍24-25
• 2.4.2 GT-POWER 中燃烧模型25-27
• 2.5 排放模型27-31
• 2.5.1 氮氧化物排放模型27-28
• 2.5.2 碳烟排放模型28-31
• 2.6 中冷器计算模型31-33
• 2.7 涡轮增压器计算模型33-36
• 2.7.1 压气机特性参数计算33-35
• 2.7.2 涡轮机特性参数计算35-36
• 本章小结36-38
• 第三章 仿真建模计算与验证38-50
• 3.1 GT-POWER 软件计算流程38-39
• 3.2 16V240ZJ 型机车柴油机的结构39-40
• 3.3 GT-POWER 主要模块建模40-46
• 3.3.1 进排气系统建模40-43
• 3.3.2 喷油器设置43
• 3.3.3 气缸和曲轴箱设置43-44
• 3.3.4 涡轮增压器建模44-45
• 3.3.5 建立整机模型45-46
• 3.4 模型的调试46-47
• 3.5 仿真模型的验证47-48
• 本章小结48-50
• 第四章 16V240ZJ 型柴油机燃用天然气的改进方案提出与分析50-76
• 4.1 天然气发动机研究现状50-57
• 4.1.1 按燃料组成分类50-51
• 4.1.2 按天然气供气方式分类51-54
• 4.1.3 按燃烧方式分类54-57
• 4.2 16V240ZJ 型柴油机燃用天然气燃料方案提出57-58
• 4.3 方案一开式燃烧室火花点火稀薄燃烧系统58-65
• 4.3.1 模型改进58-60
• 4.3.2 改进后多目标模型优化仿真结果分析60-65
• 4.4 方案二缸内低压直喷火花点火系统65
• 4.5 方案三预燃室火花点火稀薄燃烧系统65-66
• 4.6 方案四柴油引燃燃烧系统66-70
• 4.6.1 模型改进67-68
• 4.6.2 改进后优化仿真结果分析68-70
• 4.7 方案五缸内高压喷射压缩燃烧系统70-73
• 4.7.1 模型改进70-71
• 4.7.2 改进后优化结果分析71-73
• 4.8 对比各种方案的综合分析73-75
• 本章小结75-76
• 第五章 米勒循环在机车天然气发动机上的研究76-83
• 5.1 米勒循环简介76
• 5.2 引入米勒循环的目的76-77
• 5.3 采用米勒循环方式模拟仿真分析77-79
• 5.4 米勒循环方式的效果79-82
• 5.4.1 热效率提高79-80
• 5.4.2 燃料消耗率80-81
• 5.4.3 NO_X 排放81-82
• 本章小结82-83
• 第六章 全文总结与展望83-84
• 6.1 全文总结83
• 6.2 未来工作展望83-84
• 参考文献84-87
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文87-88
• 致谢88-89

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