基于REGR技术的船用LNG发动机缸内工作过程仿真

摘要

随着全球能源日益匮乏，环境污染问题日益严重，寻找低成本，高效率的清洁代用燃料，开发内燃机的新技术成为了全球船用动力研究机构和生产厂商的战略目标。天然气由于储量丰富，燃烧清洁等特点，成为了当下最热门的代用燃料。现有的天然气发动机还未能将天然气在排放方面的优势完全发挥出来，仍需要不断的改进优化。因此在天然气发动机上使用废气燃料重整再循环（REGR）技术成为了热门的研究方向。 本文为了研究掺混模拟重整气和EGR气体的混合燃料对船用LNG发动机的动力性，经济性和排放性的影响，首先搭建了玉柴YC6MK200NL-C20发动机的试验台架，进行了原机的推进特性试验；然后在AVL Boost和AVL Fire软件中建立了发动机一维整机仿真模型和缸内三维仿真模型，并与原机试验数据对比验证了模型的准确性。本文中以氢气和一氧化碳的合成气作为REGR重整产物气的替代物，进行了不同EGR率以及在确定的EGR率下掺烧不同比例合成气的仿真计算，从得到的数据分析了掺混合成气结合EGR对发动机燃烧过程的影响规律，为后续对REGR技术深入的研究提供了理论参考。 计算结果表明：在各个负荷工况下，随着EGR率的升高，缸内平均压力，平均温度的峰值下降；燃烧过程整体后移，燃烧持续期增加；发动机的指示功率下降和NO比排放下降，指示燃料消耗率有所增加。EGR气体可以有效的降低NO比排放，在低负荷下对发动机的影响比高负荷下更大。综合考虑各个工况下的动力性、经济性和排放性，在100%，75%和50%的负荷下确定EGR率为10%，25%负荷下确定EGR率为5%，在此基础上进行掺混合成气的仿真计算。随着掺混比例的升高，缸内的燃烧情况有所好转；缸内平均压力，平均温度的峰值随着掺混率增加而升高，燃烧持续期缩短；发动机指示功率升高，NO比排放升高，当量指示燃油消耗率先基本不变，在合成气的掺混率升高到一定程度会突然出现较为明显的下降。与原机相比，掺混合成气和EGR气体后，各个负荷下发动机都可以在不牺牲动力性和经济性的基础上降低NO比排放，75%负荷下降低排放的效果最弱，NO比排放仅比原机下降了5.8%；25%负荷下减排的效果最好，NO比排放比原机下降了16%。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 背景和研究意义

1.2 REGR技术的国内外研究现状

1.3 本文内容及技术路线

第2章 天然气发动机仿真模型的建立和验证

2.1AVL Boost一维仿真

2.1.1 热力学基本方程

2.1.2 发动机燃烧模型

2.1.3 传热模型

2.1.4 管道流动模型

2.1.5 Boost原型机的建立

2.2 AVL Fire数值模拟

2.2.1 基本控制方程

2.2.2 燃烧模型

2.2.3 湍流模型

2.2.4 NOx排放计算模型

2.2.5 控制方程离散和求解方法

2.2.6 燃烧室模型的建立

2.3 发动机台架试验

2.4 仿真模型的验证

2.5 本章小节

第3章 EGR率对发动机性能的影响

3.1 EGR率的计算方法

3.2 100%负荷下EGR率对发动机燃烧过程的影响

3.2.1 EGR率对缸内压力、温度和放热率的影响

3.2.2 EGR率对缸内温度场分布的影响

3.2.3 EGR率对缸内CH4浓度场分布的影响

3.2.4 EGR率对发动机动力性、经济性和排放的影响

3.3 75%负荷下EGR率对发动机燃烧过程的影响

3.3.1 EGR率对缸内压力、温度和放热率的影响

3.3.2 EGR率对缸内温度场分布的影响

3.3.3 EGR率对缸内CH4浓度场分布的影响

3.3.4 EGR率对发动机动力性、经济性和排放的影响

3.4 50%负荷下EGR率对发动机燃烧过程的影响

3.4.1 EGR率对缸内温度、压力和放热率的影响

3.4.2 EGR率对缸内温度场分布的影响

3.4.3 EGR率对缸内CH4浓度场分布的影响

3.4.4 EGR率对发动机动力性、经济性和排放的影响

3.5 25%负荷下EGR率对发动机燃烧过程的影响

3.5.1 EGR率对缸内压力、温度和放热率的影响

3.5.2 EGR率对缸内温度场分布的影响

3.5.3 EGR率对缸内CH4浓度场分布的影响

3.5.4 EGR率对发动机动力性、经济性和排放的影响

3.6 本章小结

第4章 掺混模拟重整气对发动机性能的影响

4.1 100%负荷下掺混模拟重整气对发动机性能的影响

4.1.1 掺混率对燃烧过程的影响

4.1.2 掺混率对发动机动力性、经济性和排放的影响

4.2 75%负荷下掺混模拟重整气对发动机性能的影响

4.2.1 掺混率对燃烧过程的影响

4.2.2 掺混率对发动机动力性、经济性和排放的影响

4.3 50%负荷下掺混模拟重整气对发动机性能的影响

4.3.1 掺混率对燃烧过程的影响

4.3.2 掺混率对发动机动力性、经济性和排放的影响

4.4 25%负荷下掺混模拟重整气对发动机性能的影响

4.4.1 掺混率对燃烧过程的影响

4.4.2 掺混率对发动机的动力性、经济性和排放的影响

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文