重型車用增壓中冷稀燃LNG發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究.pdf

1、環(huán)境問題和能源危機(jī)是當(dāng)今世界人類所面臨的兩大問題，節(jié)能和減排是科研工作者永恒不變的主題和責(zé)任。進(jìn)入21世紀(jì)后，中國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，每年以兩位數(shù)左右的GDP增長速度穩(wěn)居世界首位，但中國經(jīng)濟(jì)目前的主要發(fā)展模式是以高耗能的建筑、冶金、交通等行業(yè)帶動(dòng)其它行業(yè)的發(fā)展，帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染和巨大的能源消耗。大面積的霧霾天氣和過高的對(duì)外石油依存度成為困擾中國政府的兩大問題。為了降低排放并提高能源多元化，汽車燃用代用燃料成為必然選擇。天然氣因具有良好的排放

2、性和可獲得性成為車輛的主要代用燃料。液化天然氣(Liquefied natural gas，LNG)和壓縮天然氣(Compressed natural gas，CNG)相比因具有能量密度大、續(xù)航里程長等優(yōu)點(diǎn)，成為重卡天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的首選燃料。本文以WP10NGE40單一燃料增壓中冷、稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象，對(duì)LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣混合系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)性能及汽車燃?xì)饧訜崞骱蚅NG發(fā)動(dòng)機(jī)的聯(lián)合運(yùn)行進(jìn)行了較為系統(tǒng)的數(shù)值模擬和試驗(yàn)

3、研究，開發(fā)出性能良好的重型車用稀燃LNG發(fā)動(dòng)機(jī)。
　　 本文建立了直管式和十字叉式兩種混合器不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的六種模型，模擬了天然氣和空氣的混合過程，分析了混合孔直徑、混合孔分布位置等參數(shù)對(duì)混合均勻性的影響。計(jì)算結(jié)果表明:十字叉式的混合器增加了混合過程的擾動(dòng)及混合孔的分布散度，更有利于天然氣與空氣的均勻混合，采用十字叉式混合器后，進(jìn)氣管中部的混合氣濃度稍高，有利于后續(xù)的摻混和燃燒。綜合評(píng)價(jià)各方面的參數(shù)，優(yōu)選了WP10NGE40發(fā)動(dòng)機(jī)

4、的混合器。建立了發(fā)動(dòng)機(jī)的一維熱力過程模型和進(jìn)氣管三維流動(dòng)過程模型，利用1D/3D耦合瞬態(tài)模擬技術(shù)，研究了截面為矩形和梯形兩種結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣管對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣均勻性的影響，結(jié)果表明WP10NGE40發(fā)動(dòng)機(jī)選用梯形截面結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣管，其進(jìn)氣均勻性更佳。
　　 設(shè)計(jì)了四種不同結(jié)構(gòu)的燃燒室，建立了包括進(jìn)氣道和燃燒室兩部分的移動(dòng)計(jì)算網(wǎng)格，并根據(jù)WP10NGE40發(fā)動(dòng)機(jī)的過量空氣系數(shù)在0.6-1.7范圍內(nèi)的情況，選擇標(biāo)準(zhǔn)的CFM-2A模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的

5、進(jìn)氣、壓縮、點(diǎn)火和火焰?zhèn)鞑ミ^程進(jìn)行了瞬態(tài)模擬。研究燃燒室擠流面積、燃燒室凹坑圓角、壓縮余隙、燃燒室凹坑深度對(duì)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)及點(diǎn)火和火焰發(fā)展、傳播的影響。研究結(jié)果表明:壓縮余隙的減小、擠流面積及燃燒室凹坑深度的適當(dāng)增加，有利于火焰中心在燃燒室內(nèi)部的發(fā)展和快速傳播。分析了四種方案的缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)及燃燒過程，并對(duì)比了燃燒持續(xù)期，確定了WP10NGE40發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　 針對(duì)國內(nèi)LNG加注站加注壓力偏低，LNG在使用過程中存在

6、燃料流出困難、天然氣汽化后壓力偏低，不能滿足增壓中冷后單點(diǎn)混合發(fā)動(dòng)機(jī)的需要等問題，提出帶有自增壓系統(tǒng)的LNG燃料罐，并設(shè)計(jì)了帶有LNG汽化器換熱強(qiáng)度控制和汽化后天然氣溫度調(diào)節(jié)的兩級(jí)調(diào)節(jié)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)。對(duì)燃料供給系統(tǒng)進(jìn)行了保溫性、可靠性試驗(yàn)及自增壓和非增壓系統(tǒng)對(duì)供氣能力影響的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明采用該系統(tǒng)后供氣穩(wěn)定，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可滿足使用需要。
　　 研究了燃空比、火花塞間隙、噴射壓力等運(yùn)行參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)

7、性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r·min-1，燃空比在0.77左右時(shí)該發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)庀穆蔬_(dá)到最低;發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1400r·min-1，燃空比在0.76左右時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)庀穆蔬_(dá)到最低值;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的火花塞間隙為0.4mm時(shí)可以兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性;發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在800r·min-1-1200 r·min-1范圍內(nèi)時(shí)，噴射壓力降低后發(fā)動(dòng)機(jī)的氣耗率增加，增加的幅度在1％之內(nèi);噴射壓力從6bar降低為5.5bar后，

8、轉(zhuǎn)速在1200 r·min-1-1800 r·min-1范圍內(nèi)時(shí)，隨轉(zhuǎn)速的提高氣耗率的增加量提高，1800r·min-1工況下氣耗率增加了6.8％。噴射壓力從5.5bar提高到6bar后，WP10NGE40發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性得到改善，并縮短了噴射脈寬，有利于噴嘴壽命的提高。
　　 作者對(duì)增壓中冷后進(jìn)氣總管單點(diǎn)混合天然發(fā)動(dòng)機(jī)外特性及負(fù)荷特性的HC和NOx排放進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明:進(jìn)氣管單點(diǎn)噴射增壓發(fā)動(dòng)機(jī)存在混合氣掃氣現(xiàn)象，外特性工

9、況點(diǎn)CH4排放占THC排放的95％以上;外特性中速和高速時(shí)的碳?xì)渑欧帕枯^低速時(shí)多，隨點(diǎn)火提前角的減小碳?xì)渑欧艤p少，點(diǎn)火提前角對(duì)1400r·min-1（大扭矩轉(zhuǎn)速）碳?xì)渑欧诺挠绊懽铒@著;發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率從0增加到100％，碳?xì)渑欧趴傮w上呈增加趨勢，2000r·min-1轉(zhuǎn)速時(shí)，隨負(fù)荷率的增加CH4占THC排放的比例升高。稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在外特性運(yùn)行時(shí)低轉(zhuǎn)速的NOx排放水平比高速運(yùn)行時(shí)高，外特性安裝催化轉(zhuǎn)化器后發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放升高;發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為

10、1000r·min-1和1400r·min-1時(shí)，隨負(fù)荷率的增大NOx排放呈先增大后減小的趨勢;發(fā)動(dòng)機(jī)在1000r·min-1和1400r·min-1、中等負(fù)荷率時(shí)，點(diǎn)火提前角對(duì)NOx排放的影響較顯著，50％負(fù)荷率左右時(shí)，安裝催化器后NOx排放水平顯著降低，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2000r·min-1時(shí)，在整個(gè)負(fù)荷率范圍內(nèi)NOx排放水平較低，安裝催化器后，NOx總體排放水平升高。
　　 針對(duì)重卡LNG發(fā)動(dòng)機(jī)在寒區(qū)運(yùn)行時(shí)暴露出的冷車起動(dòng)困難

11、、供氣不足、供氣溫度過低及取暖問題，設(shè)計(jì)了汽車燃?xì)饧訜崞骱蚅NG發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)，開展了臺(tái)架試驗(yàn)及車輛寒區(qū)試驗(yàn)。結(jié)果表明:汽車燃?xì)饧訜崞髋cLNG發(fā)動(dòng)機(jī)共用一套LNG燃料供給系統(tǒng)，聯(lián)合運(yùn)行穩(wěn)定，試驗(yàn)過程中加熱器起動(dòng)容易、燃燒穩(wěn)定;加熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行對(duì)LNG發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)改善效果明顯，在寒區(qū)汽車燃?xì)饧訜崞骱桶l(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行可以有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)性。
　　 綜上所述，課題從LNG發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣混合過程、燃燒過程、燃料供給系統(tǒng)到發(fā)動(dòng)