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重型車用增壓中冷稀燃LNG發動機性能研究

來源:0 2017/3/10 21:43:31

摘要:

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重型車用增壓中冷稀燃LNG發動機性能研究

環境問題和能源危機是當今世界人類所面臨的兩大問題,節能和減排是科研工作者永恒不變的主題和責任。進入21世紀后,中國經濟高速發展,每年以兩位數左右的GDP增長速度穩居世界首位,但中國經濟目前的主要發展模式是以高耗能的建筑、冶金、交通等行業帶動其它行業的發展,帶來嚴重的環境污染和巨大的能源消耗。大面積的霧霾天氣和過高的對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性和可獲得性成為車輛的主要代用燃料。液化天然氣(Liquefied natural gasLNG)和壓縮天然氣(Compressed natural gasCNG)相比因具有能量密度大、續航里程長等優點,成為重卡天然氣發動機的首選燃料。本文以WP10NGE40單一燃料增壓中冷、稀燃天然氣發動機為對象,對LNG發動機的進氣混合系統、燃燒系統、燃料供給系統、發動機性能及汽車燃氣加熱器和LNG發動機的聯合運行進行了較為系統的數值模擬和試驗研究,開發出性能良好的重型車用稀燃LNG發動機。

本文建立了直管式和十字叉式兩種混合器不同結構參數的六種模型,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對混合均勻性的影響。計算結果表明:十字叉式的混合器增加了混合過程的擾動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,進氣管中部的混合氣濃度稍高,有利于后續的摻混和燃燒。綜合評價各方面的參數,優選了WP10NGE40發動機的混合器。建立了發動機的一維熱力過程模型和進氣管三維流動過程模型,利用1D/3D耦合瞬態模擬技術,研究了截面為矩形和梯形兩種結構的進氣管對發動機進氣均勻性的影響,結果表明WP10NGE40發動機選用梯形截面結構的進氣管,其進氣均勻性更佳。

設計了四種不同結構的燃燒室,建立了包括進氣道和燃燒室兩部分的移動計算網格,并根據WP10NGE40發動機的過量空氣系數在0.6-1.7范圍內的情況,選擇標準的CFM-2A模型,對發動機的進氣、壓縮、點火和火焰傳播過程進行了瞬態模擬。研究燃燒室擠流面積、燃燒室凹坑圓角、壓縮余隙、燃燒室凹坑深度對缸內氣流運動及點火和火焰發展、傳播的影響。研究結果表明:壓縮余隙的減小、擠流面積及燃燒室凹坑深度的適當增加,有利于火焰中心在燃燒室內部的發展和快速傳播。分析了四種方案的缸內氣流運動及燃燒過程,并對比了燃燒持續期,確定了WP10NGE40發動機的燃燒室結構參數。

針對國內LNG加注站加注壓力偏低,LNG在使用過程中存在燃料流出困難、天然氣汽化后壓力偏低,不能滿足增壓中冷后單點混合發動機的需要等問題,提出帶有自增壓系統的LNG燃料罐,并設計了帶有LNG汽化器換熱強度控制和汽化后天然氣溫度調節的兩級調節天然氣發動機燃料供給系統。對燃料供給系統進行了保溫性、可靠性試驗及自增壓和非增壓系統對供氣能力影響的對比試驗,試驗結果表明采用該系統后供氣穩定,發動機運轉平穩,可滿足使用需要。

研究了燃空比、火花塞間隙、噴射壓力等運行參數對發動機動力性和經濟性的影響。試驗結果表明:當發動機轉速為1000r·min-1,燃空比在0.77左右時該發動機的燃氣消耗率達到最低;發動機轉速為1400r·min-1,燃空比在0.76左右時發動機的燃氣消耗率達到最低值;當發動機的火花塞間隙為0.4mm時可以兼顧發動機的動力性、經濟性和可靠性;發動機轉速在800r·min-1-1200 r·min-1范圍內時,噴射壓力降低后發動機的氣耗率增加,增加的幅度在1%之內;噴射壓力從6bar降低為5.5bar后,轉速在1200 r·min-1-1800 r·min-1范圍內時,隨轉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發動機的經濟性得到改善,并縮短了噴射脈寬,有利于噴嘴壽命的提高。

作者對增壓中冷后進氣總管單點混合天然發動機外特性及負荷特性的HCNOx排放進行了研究。研究結果表明:進氣管單點噴射增壓發動機存在混合氣掃氣現象,外特性工況點CH4排放占THC排放的95%以上;外特性中速和高速時的碳氫排放量較低速時多,隨點火提前角的減小碳氫排放減少,點火提前角對1400r·min-1(大扭矩轉速)碳氫排放的影響最顯著;發動機負荷率從0增加到100%,碳氫排放總體上呈增加趨勢,2000r·min-1轉速時,隨負荷率的增加CH4THC排放的比例升高。稀燃天然氣發動機在外特性運行時低轉速的NOx排放水平比高速運行時高,外特性安裝催化轉化器后發動機NOx排放升高;發動機轉速為1000r·min-11400r·min-1時,隨負荷率的增大NOx排放呈先增大后減小的趨勢;發動機在1000r·min-11400r·min-1、中等負荷率時,點火提前角對NOx排放的影響較顯著,50%負荷率左右時,安裝催化器后NOx排放水平顯著降低,發動機轉速為2000r·min-1時,在整個負荷率范圍內NOx排放水平較低,安裝催化器后,NOx總體排放水平升高。

針對重卡LNG發動機在寒區運行時暴露出的冷車起動困難、供氣不足、供氣溫度過低及取暖問題,設計了汽車燃氣加熱器和LNG發動機聯合運行系統,開展了臺架試驗及車輛寒區試驗。結果表明:汽車燃氣加熱器與LNG發動機共用一套LNG燃料供給系統,聯合運行穩定,試驗過程中加熱器起動容易、燃燒穩定;加熱器和發動機聯合運行對LNG發動機的冷起動改善效果明顯,在寒區汽車燃氣加熱器和發動機聯合運行可以有效改善發動機的冷起動性。

綜上所述,課題從LNG發動機進氣混合過程、燃燒過程、燃料供給系統到發動機的性能及汽車燃氣加熱器和LNG發動機的聯合運行進行了較為詳細的研究,所開發的WP10NGE40發動機在動力性、經濟性、排放性和冷起動性方面均取得了較為理想的效果,掌握了LNG發動機開發的關鍵技術,為LNG發動機的后續研發提供了理論和試驗基礎。


者:李娜

學科專業:動力工程及工程熱物理

授予學位:博士

學位授予單位:山東大學

導師姓名:李國祥孫少軍

學位年度:2013

研究方向:

種:chi

分類號:U464.174

關鍵詞:重型車天然氣發動機運行性能結構參數燃料供給自增壓系統

機標分類號:

機標關鍵詞:重型車增壓中冷稀燃天然氣發動機  LNG  發動機轉速  NOx排放汽車燃氣加熱器混合器燃料供給系統燃燒室聯合運行進氣管

基金項目:



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