燃烧边界条件对车用重型天然气发动机燃烧及排放的影响

【摘要】：能源的匮乏和全球环境的恶化已成为世界关注的焦点，开发和使用节能清洁燃料已刻不容缓。在内燃机燃料中，天然气以其资源丰富、排放友好等优点得到了高度重视和运用。然而由天然气理化特性所决定的燃烧速度慢的问题，阻碍了天然气发动机进一步向高效超低排放的发展。另外，由于稀燃天然气发动机不能通过三效催化转化器TWC(Three WayCatalysts)来控制排放，因此需要合理组织机内净化措施，使其满足日益严格的排放法规。 为了解决以上问题，本文针对电控多点喷射重型稀燃天然气发动机，采用试验与数值模拟相结合的手段，从缸内气流运动、混合气浓度分布及燃烧过程三个方面入手，详细分析了影响天然气发动机火焰传播速度的物理及化学因素，对比研究了不同稀燃方式对天然气发动机工作过程的影响，提出了有利于天然气发动机高效清洁燃烧的缸内流动分布、混合气浓度分布及燃烧模式，为开发高效清洁天然气发动机提供了理论依据和数据支持。 为选取合理的燃烧边界条件值，首先通过试验研究了点火及喷气时刻对发动机缸内燃烧过程和排放特性的影响规律。在对喷气时刻的研究中结合了数值模拟结果的分析，更直观清晰的解释了试验燃烧结果规律，研究结果表明： 1.在一定范围内，点火时刻的提前和喷气时刻的滞后能够提高燃烧等容度，获得更多工质做功能力，提高燃油经济性，但NOx排放增加；模拟结果显示喷气时刻的滞后使燃气浓度在气缸轴线方向上的分布状态由上稀下浓变换为上浓下稀，且混合气浓度分布梯度增大。 2.通过调节点火及喷气时刻能够实现基于NOx排放或燃油经济性的不同优化控制策略，在基于NOx排放控制策略下的欧洲稳态标准13工况测试循环ESC13(EuropeanStationary Cycle)值可以使NOx排放满足国4排放法规限值。 为了实现天然气发动机的高效燃烧，改善其火焰传播速度慢的问题，提出利用压缩后期流体湍动能来促进燃烧速度的思想。采用STAR-CD三维流体软件模拟计算明确了发动机缸内气流运动的演变历程，采用新型燃烧室及不同燃气喷射位置实现了压缩后期湍动能的改变。利用纵横截面图及对关键区域采样统计的方法揭示了不同燃烧室形状及燃气喷射位置下，缸内气流运动特性，流体运动速度场，湍动能场及混合气浓度分布状态，结合试验数据分析了缸内流动对燃烧过程及有害物排放的影响规律，研究结果表明： 1.压缩后期缸内湍动能峰值相位与放热率峰值相位距离越短越有利于提高燃烧等容度，增加发动机热效率。十字形燃烧室所对应的湍动能与放热率峰值相位距离比原机圆柱形燃烧室的缩短了10.5°CA。 2.缸内流动的微观参数场显示原机的圆柱形燃烧室保持了流体的高速大尺度涡流运动，径向涡流比较改进后的十字形燃烧室高31.7%；而十字形燃烧室剪切大尺度涡流运动产生更多小尺度湍流，使压缩后期的质量平均湍动能峰值增加了78.2%。在对均布肋圆周半径上的采样点统计分析得知，在燃烧过程中，十字形燃烧室内流体平均速度虽然比圆柱形的低，但速度大小分布更紊乱，速度标准差更高，所以不规则非稳定气流运动更多。 3.结合试验结果研究发现，在火花塞周围混合气浓度基本一致的情况下，十字形燃烧室由于强的湍动能不利于初期稳定火核的快速形成，表现为滞燃期加长；而在主要燃烧过程中，十字形燃烧室高的湍动能促使快速燃烧的产生，缩短了燃烧持续期，使发动机燃油经济性在外特性下平均提高了5.2%，排气温度平均降低了23.7℃。对比ESC13工况测试值得出，十字形燃烧室所对应的NOx排放比原机燃烧室高40%，HC和CO排放有所下降。 4.基于4种不同燃气喷射位置的模拟结果发现，喷气位置影响局部流动状态，使压缩后期缸内混合气在径向上的浓度分布发生改变，合适的喷气位置可以在火花塞周围形成有利于快速燃烧的湍动能和燃气浓度分布。试验所得燃烧和排放结果，很好的验证了对模拟结果的流动及混合气浓度分析。 为了使天然气发动机在只采用机内净化措施的情况下大大降低NOx排放，试验研究了三种不同稀燃方式（当量比燃烧+废气再循环EGR(Exhaust Gas Recirculation)稀释、空气稀释、空气+EGR双重稀释）对天然气发动机燃烧过程，排放特性及稀燃极限的影响规律，研究结果表明： 1.在当量比燃烧+EGR稀释方式下，通过点火时刻、喷气时刻及EGR率本身的优化，可以使NOx排放降幅达90.2%。而在当量比燃烧情况下，EGR对降低排气温度的贡献较小，与双重稀释燃烧方式的排气温度对比发现，前者在平均EGR率为21%时所对应的平均排气温度比后者在平均EGR率为6.5%时所对应的平均排气温度还高出9.7%。 2.在空气稀释燃烧方式下，随着额外空气量的增多，缸内压力和放热率减小，峰值相位滞后，最高燃烧压力循环变动系数增大。NOx排放在过量空气系数λ=1.1-1.2区间达到巅峰，而后随着λ的继续增大而急剧下降；HC排放表现出与NOx排放相反的变化趋势；燃气消耗率随着λ的增加而降低。相比于双重稀释燃烧方式，空气稀燃对应的稀释极限较小，当过量空气系数较大时容易出现燃烧不稳现象。在ESC13各转速下，同等燃气消耗率时，双重稀燃对应的NOx排放比空气稀燃分别降低43.2%，47.1%和50.9%。 3.对比三种燃烧方式ESC13测试循环值得出，当量比燃烧+EGR方式可以达到更优的NOx排放；空气稀释燃烧方式可以达到更优的燃油经济性；双重稀释燃烧方式则结合了以上二者的优点，能够达到更优的NOx-be折衷关系。在对点火时刻和喷气时刻等燃烧边界条件进行优化后，三种燃烧方式均可以使天然气发动机的NOx排放满足国4和国5排放限值，且双重稀释燃烧方式具有最优的燃油经济性。 为了发挥EGR降低NOx排放的功效，减小其对燃烧速度的恶化作用，以达到在保证天然气发动机热效率的同时进一步降低NOx排放的目的，提出了EGR分层方式。为了将传统EGR回流方式与发动机本身解耦，避免其引入方式对发动机运转过程造成的影响，以及EGR量和引入压力等的复杂控制问题，同时为了解决EGR引入压力与燃气气轨压力存在的大压差问题，采用了CO_2代替EGR的方法。研究基于三维数值模拟和发动机台架试验分析了EGR均质分布（空气掺混CO_2）与EGR分层分布（天然气掺混CO_2）对天然气发动机缸内混合气形成、燃烧过程及排放特性的影响规律，研究结果表明： 1.天然气掺混CO_2方式下缸内CO_2浓度呈现分层分布，且分布规律与天然气浓度分布一致。相比于空气掺混CO_2方式，天然气掺混所对应的缸内总稀释比峰值更小，实现了燃气浓的区域CO_2多，燃气稀的区域CO_2少的理想分布状态。 2.试验结果表明无论何种掺混方式下，CO_2的加入都使整个燃烧速度变缓，滞燃期，主燃期均随着CO_2掺混率的增加而延长，CA50后移，循环变动增大。而天然气掺混CO_2方式对缸内燃烧速度影响较小，其对应的排气温度也较空气掺混的低。在1750r/min-75%负荷工况下，通过优化燃烧边界条件后发现无论何种掺混方式，CO_2的加入都能够使be-NOx折衷区域优于无CO_2掺混所得区域，天然气掺混CO_2方式能够得到比空气掺混CO_2方式和无掺混都更优的be-NOx折衷区域，改善了be-NOx的矛盾关系，为实现重型稀燃天然气发动机的高效清洁燃烧提供了可行燃烧技术。 【关键词】：重型天然气发动机 气流运动 混合气浓度 稀燃方式 EGR分层 燃烧过程 排放控制
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U464.174
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-12
• 目录12-17
• 第1章 绪论17-39
• 1.1 引言17-22
• 1.1.1 能源与环境问题17-19
• 1.1.2 排放法规19-20
• 1.1.3 替代燃料20-22
• 1.2 天然气发动机的分类22-26
• 1.2.1 缸外预混供气天然气发动机22-23
• 1.2.2 缸内直喷天然气发动机23-26
• 1.3 天然气发动机高效清洁燃烧技术26-35
• 1.3.1 合理组织缸内工质浓度分层28-30
• 1.3.2 合理组织缸内气流运动30-35
• 1.4 数值模拟应用研究35-37
• 1.4.1 数值模拟的必要性35-36
• 1.4.2 CFD 软件36
• 1.4.3 数值模拟应用现状36-37
• 1.5 课题研究意义及主要内容37-39
• 第2章 试验测控系统与模拟平台建立39-53
• 2.1 试验测控系统39-43
• 2.1.1 试验用发动机39-40
• 2.1.2 试验测试设备40-43
• 2.2 模拟平台的建立43-51
• 2.2.1 几何模型的建立44-45
• 2.2.2 计算网格的划分45-46
• 2.2.3 模型及算法设定46-48
• 2.2.4 初始边界条件的确定及模型验证48-49
• 2.2.5 后处理说明49-51
• 2.3 本章小结51-53
• 第3章 点火时刻及喷气时刻对天然气发动机性能的影响53-63
• 3.1 试验方法53
• 3.2 点火时刻对燃烧过程的影响53-56
• 3.2.1 燃烧过程分析54-55
• 3.2.2 燃油经济性和排放的变化规律55-56
• 3.3 喷气时刻对燃烧过程的影响56-60
• 3.3.1 燃烧过程分析56-58
• 3.3.2 喷气时刻对缸内混合气浓度的影响58-59
• 3.3.3 燃油经济性和排放性的变化规律59-60
• 3.4 基于点火及喷气时刻的优化策略60-61
• 3.5 本章小结61-63
• 第4章 缸内流动的合理组织及其对燃烧过程的影响63-89
• 4.1 研究背景63-64
• 4.2 研究内容的提出64-65
• 4.3 通过燃烧室形状改善缸内气流运动65-81
• 4.3.1 缸内流动的宏观演变历程66-68
• 4.3.2 缸内流体微观参数场分析68-71
• 4.3.3 流动参数的量化分析71-75
• 4.3.4 流体运动对燃烧过程的影响75-78
• 4.3.5 燃烧与排放的试验结果分析78-81
• 4.4 天然气喷射位置对发动机性能的影响81-86
• 4.4.1 不同燃气喷射位置模拟结果分析81-85
• 4.4.2 试验结果分析85-86
• 4.5 本章小结86-89
• 第5章 不同稀燃方式对天然气发动机性能的影响89-109
• 5.1 基本概念及 EGR 回流方式90-93
• 5.1.1 基本概念的定义及计算公式90-91
• 5.1.2 EGR 回流方式91-92
• 5.1.3 EGR 阀控制92-93
• 5.2 当量比燃烧+EGR93-96
• 5.3 空气稀释燃烧方式96-104
• 5.3.1 燃烧及排放的变化趋势96-97
• 5.3.2 各循环最大燃烧压力及其相位分布97-101
• 5.3.3 稀释极限的对比101-104
• 5.4 双重稀燃方式燃烧边界的合理选择104-106
• 5.4.1 最优过量空气系数的选择104-105
• 5.4.2 其它燃烧边界条件的优化105-106
• 5.5 不同燃烧方式的燃油经济性和排放对比106-107
• 5.6 本章小结107-109
• 第6章 EGR 分层对天然气发动机性能的影响109-127
• 6.1 研究 EGR 分层的意义109-111
• 6.1.1 EGR 分层的研究背景109-111
• 6.1.2 研究的目的及意义111
• 6.2 研究方案及研究方法111-114
• 6.2.1 研究方案111-112
• 6.2.2 CO_2供给系统112-113
• 6.2.3 研究方法113-114
• 6.3 缸内微观场分布特征114-118
• 6.3.1 模拟工况选择及后处理114
• 6.3.2 CH4与 CO_2浓度场分布对比114-116
• 6.3.3 特征区域采样点统计结果116-118
• 6.4 试验结果分析118-125
• 6.4.1 掺混方式对燃烧过程的影响118-122
• 6.4.2 掺混方式对排放和燃油经济性的影响122-123
• 6.4.3 燃烧边界条件优化结果123-125
• 6.5 本章小结125-127
• 第7章 全文总结与展望127-131
• 7.1 全文总结127-130
• 7.2 研究创新点130
• 7.3 工作展望130-131
• 参考文献131-143
• 作者简介及科研成果143-145
• 致谢145

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