基于DOC的柴油/天然气双燃料发动机排放的数值模拟与试验研究*

摘要

随着能源危机和环境污染问题的加剧，寻找高效清洁的代用燃料发动机逐渐成为内燃机领域的研究热点。由于柴油/天然气双燃料发动机具有良好的动力性、经济性及环保性，在众多代用燃料发动机中脱颖而出。目前氧化催化器(DOC)是控制天然气发动机排气污染物和优化排放性能的主要措施之一，能够使天然气发动机满足日益严格的排放标准。由于催化器内存在气流分离、回流、压力损失等现象，导致气体流动均匀性降低，影响催化器的转化效率，因此针对DOC的流动及压力特性对其结构开展优化工作具有重要的意义。 本文利用Pro/E软件对DOC进行三维建模，使用Hypermesh和AVL-FIRE软件建立催化器的数值计算模型，并对所建模型的准确性进行了验证。在验证模型可靠性的基础上，对不同结构参数的催化器内部流场进行了数值模拟计算，详细分析了各参数对催化器流速分布和压力损失的影响。 模拟计算结果表明，同等排气流量条件下，适当减小催化器的直径比，有利于改善催化器扩张管内的速度分离现象，减小涡流强度，同时催化器轴向的流动均匀性得到改善，压力损失减小，载体径向横截面温度分布更加均匀。载体径向中心区域速度高，并向边缘呈现速度逐渐下降的趋势。随着载体目数（CPSI）的增大，载体中心区域气流速度下降，边缘区域气流速度上升，载体径向速度分布均匀性提高。同时催化器内的总压降随CPSI的增加而增大，最后趋于稳定。与单载体催化器相比，使用双载体结构的催化器其径向速度梯度分布显著减少，并在两块载体之间产生了少量的涡流现象。双载体催化器的后端载体速度分布均匀性优于前端载体，并且随着载体间距的增大，前端载体速度均匀性变差，总压降增大，而后端载体速度均匀性增强，总压降减小。随着催化器端面进口速度的增大，载体中心区域和边缘区域的速度分化逐渐增大，催化器的整体压力损失随之增加。 通过台架试验，对比分析了纯柴油模式下和柴油/天然气双燃料模式下发动机的排放性能，同时分析了所选DOC方案对双燃料发动机排放性能的影响。试验结果表明，ESC稳态测试循环工况下，双燃料发动机的HC及CO排放均高于纯柴油模式，并且其排放量随负荷的增加而降低。中高负荷工况下的双燃料发动机 NOX排放高于纯柴油模式，并随着负荷增加排放量升高。发动机加装DOC+SCR组合后，在ESC稳态测试循环下， HC排放量最大降低幅度达到93%，CO排放量在原始排量较低的基础上进一步降低90%，NOX排放量最大降低幅度达92%。在ETC瞬态测试循环中，HC、CO及NOX排放量在城市道路低转速工况下出现较为明显的增长，在乡村道路急加速工况下HC排放值显著升高，其余工况下各污染物排放值保持在较低排放水平。试验测试结果表明，柴油/天然气双燃料发动机的污染物排放值能够满足国五排放标准。

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