重型车用增压中冷稀燃LNG发动机性能研究

摘要

环境问题和能源危机是当今世界人类所面临的两大问题，节能和减排是科研工作者永恒不变的主题和责任。进入21世纪后，中国经济高速发展，每年以两位数左右的GDP增长速度稳居世界首位，但中国经济目前的主要发展模式是以高耗能的建筑、冶金、交通等行业带动其它行业的发展，带来严重的环境污染和巨大的能源消耗。大面积的雾霾天气和过高的对外石油依存度成为困扰中国政府的两大问题。为了降低排放并提高能源多元化，汽车燃用代用燃料成为必然选择。天然气因具有良好的排放性和可获得性成为车辆的主要代用燃料。液化天然气(Liquefied natural gas，LNG)和压缩天然气(Compressed natural gas，CNG)相比因具有能量密度大、续航里程长等优点，成为重卡天然气发动机的首选燃料。本文以WP10NGE40单一燃料增压中冷、稀燃天然气发动机为对象，对LNG发动机的进气混合系统、燃烧系统、燃料供给系统、发动机性能及汽车燃气加热器和LNG发动机的联合运行进行了较为系统的数值模拟和试验研究，开发出性能良好的重型车用稀燃LNG发动机。
　　 本文建立了直管式和十字叉式两种混合器不同结构参数的六种模型，模拟了天然气和空气的混合过程，分析了混合孔直径、混合孔分布位置等参数对混合均匀性的影响。计算结果表明:十字叉式的混合器增加了混合过程的扰动及混合孔的分布散度，更有利于天然气与空气的均匀混合，采用十字叉式混合器后，进气管中部的混合气浓度稍高，有利于后续的掺混和燃烧。综合评价各方面的参数，优选了WP10NGE40发动机的混合器。建立了发动机的一维热力过程模型和进气管三维流动过程模型，利用1D/3D耦合瞬态模拟技术，研究了截面为矩形和梯形两种结构的进气管对发动机进气均匀性的影响，结果表明WP10NGE40发动机选用梯形截面结构的进气管，其进气均匀性更佳。
　　 设计了四种不同结构的燃烧室，建立了包括进气道和燃烧室两部分的移动计算网格，并根据WP10NGE40发动机的过量空气系数在0.6-1.7范围内的情况，选择标准的CFM-2A模型，对发动机的进气、压缩、点火和火焰传播过程进行了瞬态模拟。研究燃烧室挤流面积、燃烧室凹坑圆角、压缩余隙、燃烧室凹坑深度对缸内气流运动及点火和火焰发展、传播的影响。研究结果表明:压缩余隙的减小、挤流面积及燃烧室凹坑深度的适当增加，有利于火焰中心在燃烧室内部的发展和快速传播。分析了四种方案的缸内气流运动及燃烧过程，并对比了燃烧持续期，确定了WP10NGE40发动机的燃烧室结构参数。
　　 针对国内LNG加注站加注压力偏低，LNG在使用过程中存在燃料流出困难、天然气汽化后压力偏低，不能满足增压中冷后单点混合发动机的需要等问题，提出带有自增压系统的LNG燃料罐，并设计了带有LNG汽化器换热强度控制和汽化后天然气温度调节的两级调节天然气发动机燃料供给系统。对燃料供给系统进行了保温性、可靠性试验及自增压和非增压系统对供气能力影响的对比试验，试验结果表明采用该系统后供气稳定，发动机运转平稳，可满足使用需要。
　　 研究了燃空比、火花塞间隙、喷射压力等运行参数对发动机动力性和经济性的影响。试验结果表明:当发动机转速为1000r·min-1，燃空比在0.77左右时该发动机的燃气消耗率达到最低;发动机转速为1400r·min-1，燃空比在0.76左右时发动机的燃气消耗率达到最低值;当发动机的火花塞间隙为0.4mm时可以兼顾发动机的动力性、经济性和可靠性;发动机转速在800r·min-1-1200 r·min-1范围内时，喷射压力降低后发动机的气耗率增加，增加的幅度在1％之内;喷射压力从6bar降低为5.5bar后，转速在1200 r·min-1-1800 r·min-1范围内时，随转速的提高气耗率的增加量提高，1800r·min-1工况下气耗率增加了6.8％。喷射压力从5.5bar提高到6bar后，WP10NGE40发动机的经济性得到改善，并缩短了喷射脉宽，有利于喷嘴寿命的提高。
　　 作者对增压中冷后进气总管单点混合天然发动机外特性及负荷特性的HC和NOx排放进行了研究。研究结果表明:进气管单点喷射增压发动机存在混合气扫气现象，外特性工况点CH4排放占THC排放的95％以上;外特性中速和高速时的碳氢排放量较低速时多，随点火提前角的减小碳氢排放减少，点火提前角对1400r·min-1（大扭矩转速）碳氢排放的影响最显著;发动机负荷率从0增加到100％，碳氢排放总体上呈增加趋势，2000r·min-1转速时，随负荷率的增加CH4占THC排放的比例升高。稀燃天然气发动机在外特性运行时低转速的NOx排放水平比高速运行时高，外特性安装催化转化器后发动机NOx排放升高;发动机转速为1000r·min-1和1400r·min-1时，随负荷率的增大NOx排放呈先增大后减小的趋势;发动机在1000r·min-1和1400r·min-1、中等负荷率时，点火提前角对NOx排放的影响较显著，50％负荷率左右时，安装催化器后NOx排放水平显著降低，发动机转速为2000r·min-1时，在整个负荷率范围内NOx排放水平较低，安装催化器后，NOx总体排放水平升高。
　　 针对重卡LNG发动机在寒区运行时暴露出的冷车起动困难、供气不足、供气温度过低及取暖问题，设计了汽车燃气加热器和LNG发动机联合运行系统，开展了台架试验及车辆寒区试验。结果表明:汽车燃气加热器与LNG发动机共用一套LNG燃料供给系统，联合运行稳定，试验过程中加热器起动容易、燃烧稳定;加热器和发动机联合运行对LNG发动机的冷起动改善效果明显，在寒区汽车燃气加热器和发动机联合运行可以有效改善发动机的冷起动性。
　　 综上所述，课题从LNG发动机进气混合过程、燃烧过程、燃料供给系统到发动机的性能及汽车燃气加热器和LNG发动机的联合运行进行了较为详细的研究，所开发的WP10NGE40发动机在动力性、经济性、排放性和冷起动性方面均取得了较为理想的效果，掌握了LNG发动机开发的关键技术，为LNG发动机的后续研发提供了理论和试验基础。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 天然气的物理、化学特性

1．3 天然气发动机的主要类型及特点

1．3．1 双燃料发动机

1．3．2 火花点火单点混合天然气发动机

1．3．3 火花点火进气道多点喷射天然气发动机

1．3．4 缸内直喷天然气发动机

1．3．5 徽量柴油引燃天然气发动机

1．3．6 压燃式天然气发动机

1．4 天然气发动机排放控制技术

1．4．1 三元催化后处理技术

1．4．2 天然气发动机SCR技术

1．4．3 天然气发动机EGR技术

1．4．4 稀薄燃烧+氧化催化转化技术

1．5 课题概述

1．5．1 课题来源及研究目的

1．5．2 课题主要研究内容

第2章 天然气发动机进气系统数值模拟及优化设计

2．1 引言

2．2 数学模型

2．3 天然气发动机混合器数值模拟及优化设计

2．3．1 几何模型及网格划分

2．3．2 混合器几何模型

2．3．3 混合器网格划分

2．3．4 计算方案及边界条件

2．3．5 模拟计算结果及分析

2．4 进气管1D／3D耦合计算及优化设计

2．4．1 1D／3D耦合原理

2．4．2 耦合模型的建立

2．4．3 计算方案及边界条件

2．4．4 进气管计算结果及分析

2．5 本章小结

第3章 天然气发动机燃烧过程数值研究

3．1 引言

3．2 火焰模型

3．2．1 湍流火焰表面密度

3．2．2 拉伸和熄灭

3．2．3 层流火焰速度

3．2．4 层流火焰厚度

3．2．5 燃料反应速率

3．3 计算方案及模型

3．3．1 计算方案

3．3．2 几何模型及计算网格

3．3．3 计算初始条件及边界条件

3．4 计算结果及分析

3．4．1 压缩过程缸内气流运动分析

3．4．2 燃烧过程数值分析

3．5 本章小结

第4章 LNG发动机燃料供给系统的设计

4．1 引言

4．2 车载LNG罐类型

4．2．1 动力型LNG燃料罐

4．2．2 无动力型LNG燃料罐

4．3 LNG罐自增压系统

4．4 整机燃气供给系统

4．5 燃料供给系统试验

4．5．1 自增压LNG罐保温性试验

4．5．2 燃气供给系统可靠性试验

4．5．3 自增压系统对供气性能影响试验

4．6 本章小结

第5章 稀燃天然气发动机动力性及经济性试验

5．1 引言

5．2 试验样机及试验设备

5．3 试验结果及分析

5．3．1 过量空气系数对经济性和动力性的影响

5．3．2 火花塞间隙对经济性和动力性的影响

5．3．3 点火提前角对经济性和动力性的影响

5．3．4 喷射压力对经济性和动力性的影响

5．4 本章小结

第6章 稀燃天然气发动机排放性试验研究

6．1 试验装置

6．2 试验方案

6．3 碳氢排放

6．3．1 外特性碳氢排放

6．3．2 负荷特性碳氢排放

6．3．3 HC排放控制策略

6．4 NOx排放

6．4．1 怠速NOx排放特性

6．4．2 外特性NOx排放特性

6．4．3 负荷特性NOx排放特性

6．5 本章小结

第7章 LNG发动机与汽车燃气加热器联合运行系统及试验

7．1 引言

7．2 LNG发动机与汽车燃气加热器联合运行系统

7．3 汽车燃气加热器试验

7．3．1 加热性能试验装置

7．3．2 加热器试验结果

7．3．3 汽车燃气加热器的排放性能试验

7．4 联合运行试验

7．4．1 试验装置

7．4．2 联合运行冷起动试验结果

7．5 发动机寒区冷起动试验

7．6 本章小结

第8章 全文总结及工作展望

8．1 全文总结

8．2 本文创新点

8．3 论文的不足之处及工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

ENGLISH DISSERTATION

PaperⅠ Fuel Supply System Design of LNG Engine

PaperⅡ Experimental Study on Combined Operation of Gas Automobile Heater and LNG Engine