富氢HCNG发动机性能模拟与怠速性能试验研究

摘要

我国焦炉气(COG)资源丰富，但利用率较低。焦炉气经过净化处理后含有丰富的氢气，作为车用燃料的发展前景十分广阔。天然气掺氢燃料(HCNG)，是将天然气和氢气按照一定比例混合得到的一种新型车用替代燃料，是目前实现从传统燃料向氢能过渡的最具有可行性的替代燃料。
　　 本文主要研究工作分为两部分。一是用模拟计算的方法研究压缩比(ε)和配气相位对富氢HCNG发动机外特性的影响规律。二是用发动机台架试验的方法研究富氢HCNG发动机的怠速性能。
　　 在数值模拟方面，利用AVL BOOST软件建立富氢HCNG发动机全模型。通过与试验数据对比分析，在全模型的基础之上建立具有更高计算精度的“截断法”模型。分析压缩比和配气相位的变化对富氢HCNG发动机的外特性的影响规律。模拟结果表明:(1)提高压缩比可以在一定的范围内提高富氢HCNG发动机的动力性和经济性;(2)富氢HCNG发动机的动力性及经济性随着气门重叠角的减小有所降低;(3)相对于原CNG发动机而言，富氢HCNG发动机在压缩比从10∶1提高到12∶1、气门重叠角从30°CA降低到0°CA的条件下，功率和有效燃油消耗率(be)略有下降，但下降幅度不大，可以在保证原机动力性的前提下有效防止回火。
　　 用台架试验的方法研究富氢HCNG发动机的怠速性能。研究工作主要分成两个方面。一是研究点火提前角（θig）、过量空气系数（φa）对富氢HCNG发动机怠速性能影响规律。二是研究燃烧富氢HCNG对降低发动机怠速转速性能的影响。试验结果表明:(1)与原CNG发动机相比，富氢HCNG发动机的指示热效率(ITE)明显提高，等效燃料消耗量降低;(2)过量空气系数由1增加到1.2，富氢HCNG发动机的循环变动(CoVim。p)仍然小于3％，因此可以利用稀薄燃烧来提高发动机的经济性;(3)与原CNG发动机相比，富氢HCNG发动机的CO、CH4、THC较低，NOx排放较高，但可以通过适当增大过量空气系数来降低NOx的排放;(4)在怠速工况下，为了提高富氢HCNG发动机的指示热效率，降低油耗和排放，在降低怠速转速的同时，必须适当增加过量空气系数。

目录

声明

摘要

主要符号对照表

第一章 绪论

1．1 焦炉气及HCNG燃料介绍

1．1．1 焦炉气介绍

1．1．2 HCNG燃料介绍

1．2 发动机怠速工况介绍

1．3 国内外研究发展动态

1．3．1 国外研究发展动态

1．3．2 国内研究发展动态

1．4 本文研究意义

1．5 本文研究内容

第二章 发动机热力学分析及建模理论介绍

2．1 焦炉气及HCNG燃料的相关参数计算方法

2．1．1 焦炉气的相关参数计算

2．1．2 HCNG燃料相关参数计算

2．1．3 燃烧放热率的计算方法

2．2 建模理论介绍

2．2．1 气缸子系统

2．2．2 进排气管子系统

第三章 富氢HCNG发动机变参数一维数值模拟

3．1 富氢HCNG发动机一维仿真模型的建立

3．2 富氢HCNG发动机模型的输入参数

3．2．1 燃料参数

3．2．2 其他参数

3．3 富氢HCNG发动机仿真模型的验证

3．4 富氢HCNG发动机变参数模拟计算

3．4．1 压缩比对富氢HCNG发动机外特性的影响

3．4．2 配气相位对富氢HCNG发动机外特性的影响

3．5 结论

第四章 富氢HCNG发动机怠速性能试验研究

4．1 HCNG发动机试验系统介绍

4．1．1 发动机系统

4．1．2 测功机系统

4．1．3 缸压及排放测试系统

4．1．4 燃料供给系统

4．2 试验工况与试验方法

4．3 试验结果与分析

4．3．1 指示热效率

4．3．2 等效燃料消耗量

4．3．3 平均指示压力循环变动

4．3．4 火焰发展期和快速燃烧期

4．3．5 CO排放

4．3．6 CH4、THC排放

4．3．7 NOx排放

4．4 结论

第五章 掺氢降低发动机怠速转速性能试验研究

5．1 试验工况与试验方法

5．2 试验结果与分析

5．2．1 怠速转速降低后指示热效率的对比

5．2．2 怠速转速降低后等效燃料消耗量的对比

5．2．3 怠速转速降低后平均指示压力循环变动的对比

5．2．4 怠速转速降低后火焰发展期和快速燃烧期的对比

5．2．5 怠速转速降低后CO排放的对比

5．2．6 怠速转速降低后CH4与THC排放的对比

5．2．7 怠速转速降低后NOx排放的对比

5．3 结论

第六章 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献

在学期间发表的文章及科研情况