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轿车用单一燃料电控喷射天然气发动机性能的实验与计算研究

作　者: 郭云杰
导　师: 王天友
学　校: 天津大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 天然气发动机点火时刻过量空气系数稀燃极限排放物
分类号: TK431
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

天然气因其储量大、燃烧后污染物排放量少等优点在各种汽车发动机代用燃料中倍受关注。发展天然气轿车对于调整我国的能源供应结构,改善城市空气质量,缓解能源供应紧张局面具有十分重要的意义。本研究搭建了轿车用单一燃料电控喷射天然气发动机性能试验平台,研究了点火时刻和过量空气系数等对发动机性能及排放的影响。同时运用BOOST、FIRE对天然气发动机工作过程进行了模拟计算。研究结果表明:与汽油机进行相比,天然气发动机的最大平均有效压力降低了11.2%,最小燃料消耗率下降了15.8%。因此要采取措施弥补天然气的动力性损失。在轿车用发动机常用转速1200r/min～3200r/min,每个转速从全负荷到25%负荷范围内,相同工况下,随着点火时刻的提前,缸内压力峰值在不断增大,而且出现的位置是向上止点靠拢;相应的放热率峰值也增大,也向上止点靠近;火焰发展期随点火提前而加长,而快速燃烧期则变短;总燃烧期在最佳点火时刻最短。点火时刻基本不影响CO排放,但是对NOx和HC有显著影响。HC排放中,CH4排放占87%,其余的成分包括低碳的饱和烃和不饱和烃及甲醛等非常规排放物。NOx成分主要有NO,NO2,N2O,其中NO占90%以上。最佳点火时刻受转速,负荷和过量空气系数的影响。该天然气发动机稀燃特性表明,全负荷下λ(过量空气系数)为1.0时,BSFC最小。部分负荷时λ为1.1时,BSFC最小。λ对CO,HC和NOx影响明显。在排放物中醇,醛,酸等非常规排放物随过量空气系数的增加而增加。在达到稀燃极限时,失火严重,HC排放急剧上升。通过点火时刻提前可以在一定程度上避免失火,拓展稀燃极限。在稀燃工况下,通过配合一定的点火提前能达实现低NOx和低HC排放,同时保证动力性损失较少。本研究还运用BOOST建立了实验用发动机的计算模型,预测了压缩比对该发动机动力性和经济性的影响。运用FIRE对天然气发动机工作过程进行了模拟,详细描述了缸内气流运动和燃烧过程。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-15
  1.1 引言  8-9
  1.2 天然气理化性质  9-10
  1.3 天然气发动机关键技术研究及进展  10-13
  1.4 轿车用天然气发动机的研究现状及应用  13-14
  1.5 本文的研究内容  14-15
第二章天然气发动机性能的实验研究  15-63
  2.1 实验系统的建立  15-16
  2.2 实验设备  16
  2.3 实验方案  16-17
  2.4 点火时刻对天然气发动机燃烧的影响  17-22
  2.5 点火时刻对天然气发动机性能的影响  22-37
    2.5.1 点火时刻对天然气发动机动力性的影响  22-24
    2.5.2 点火时刻对天然气发动机经济性的影响  24-26
    2.5.3 点火时刻对天然气发动机排温的影响  26-28
    2.5.4 点火时刻对天然气发动机排放性的影响  28-37
  2.6 点火时刻对天然气发动机稀燃特性的影响  37-45
    2.6.1 点火时刻对稀燃工况动力性的影响  37-39
    2.6.2 点火时刻对稀燃工况经济性的影响  39-40
    2.6.3 点火时刻对稀燃工况排放性的影响  40-44
    2.6.4 点火时刻提前拓展稀燃极限  44-45
  2.7 最佳点火时刻影响因素的研究  45-47
  2.8 过量空气系数对天然气发动机燃烧的影响  47-51
  2.9 过量空气系数对天然气发动机性能的影响  51-60
    2.9.1 过量空气系数对天然气发动机动力性的影响  51-52
    2.9.2 过量空气系数对天然气发动机经济性的影响  52-53
    2.9.3 过量空气系数对天然气发动机排温的影响  53-54
    2.9.4 过量空气系数对天然气发动机排放性的影响  54-60
  2.10 稀燃极限影响因素的研究  60-61
  2.11 本章小结  61-63
第三章天然气发动机工作过程的模拟计算  63-89
  3.1 一维模型的建立和验证  63-64
  3.2 压缩比对发动机性能影响的计算  64-65
  3.3 三维建模及验证  65-66
    3.3.1 几何模型及网格的建立  65
    3.3.2 计算模型选择和参数设置  65-66
    3.3.3 模型的验证  66
  3.4 三维计算结果分析  66-88
    3.4.1 进气过程气道和缸内流场  67-72
    3.4.2 缸内涡流形成过程  72-73
    3.4.3 缸内湍动能分布  73-75
    3.4.4 天然气发动机火花点火及火焰传播过程  75-77
    3.4.5 点火后缸内流场分布  77-80
    3.4.6 点火后缸内湍动能分布  80-82
    3.4.7 点火后缸内温度场分布  82-84
    3.4.8 点火后缸内压力场分布  84-85
    3.4.9 点火后缸内CH4 浓度场分布  85-86
    3.4.10 点火后缸内NO 浓度场分布  86-88
  3.5 本章小结  88-89
第四章全文工作总结与展望  89-91
  4.1 主要工作与结论  89-90
  4.2 今后工作展望  90-91
参考文献  91-94
发表论文和科研情况说明  94-95
致谢  95

轿车用单一燃料电控喷射天然气发动机性能的实验与计算研究

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