低散热压缩着火天然气发动机燃烧过程的试验研究

【摘要】： 推广使用天然气发动机有利于降低内燃机的排气污染,实现能源多元化确保国家能源安全。为改善现有点燃式天然气发动机存在的热效率低、功率密度低的缺点,研究开发新型燃烧系统是天然气发动机面临的科学问题。本文在总结和分析国内外天然气压缩着火燃烧过程研究结果的基础上,提出了一种分隔室式天然气燃烧系统,研究开发了具有低散热结构的压缩着火天然气发动机。提出利用缸内混合气浓度分层和温度分层,有效地缓解了中高负荷时预混合压燃存在的敲缸现象,并研究了电热塞温度、进气加热温度、隔热效果、高压供气定时及高低压供气比例对燃烧过程的影响。本文介绍了作者进行的如下研究工作: 研究设计了电控天然气复合供气系统。该系统在进气管处设置低压喷射阀,副室内设置高压喷射阀,在电控单元的控制下可以实现单独低压供气和高、低压复合供气两种供气方式,控制时钟频率为0.5℃A,因此该供气系统具有控制精度高、工作方式灵活的特点。 设计开发了低散热分隔室式燃烧系统并研究了天然气压缩着火起动性能。试验结果表明,增加通道直径、提高辅助加热温度有利于实现着火起动。低压供气方式的起动性能优于复合供气方式。 针对预混合压缩着火燃烧过程出现的失火和敲缸,研究了在分隔室式燃烧系统中利用缸内温度分层对失火和敲缸的影响。试验结果表明,提高电热塞温度和进气加热温度有助于避免失火现象的发生。采用大尺寸通道和活塞顶不隔热的措施有助于扩大燃烧室内温度分层,对提高副室着火性能,降低主室燃烧速度有利。在通道直径d=14mm活塞顶不隔热的条件下,转速1000r/min时最大输出功率可扩展到原机功率的42%。 在分隔室式燃烧系统中,利用天然气复合供气方式研究了主副燃烧室混合气浓度分层对天然气压缩着火燃烧过程和发动机功率输出的影响。试验结果表明,适当减小通道直径、增加高压供气比例及减小高压供气提前角均有利于提高缸内混合气分层效果,实现主副燃烧室的两阶段着火燃烧,推迟了主室内着火时刻,降低燃烧速度,有效地克服了中高负荷时的燃烧敲缸。在通道直径d=8mm转速1200r/min时达到原机功率的83%,转速1400r/min时达到原机功率的73%,同时NOx排放较直喷压燃式有所降低。 【关键词】：天然气发动机 压缩着火 电热塞 燃烧与排放
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：TK437
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-10
• 第一章 绪论10-34
• 1.1 引言10-11
• 1.2 天然气燃烧特性11-12
• 1.3 天然气发动机的发展概况12-13
• 1.4 天然气发动机种类及研究现状13-20
• 1.4.1 按照燃料使用方法分类13-16
• 1.4.2 按照天然气供气方式分类16-19
• 1.4.3 按照燃烧方式分类19-20
• 1.5 压燃式天然气发动机的研究现状与未来展望20-28
• 1.5.1 预混合充气压缩点火燃烧过程的特点及研究现状20-24
• 1.5.2 分层充气压缩点火燃烧过程的研究24-28
• 1.6 发动机低散热技术的研究现状28-31
• 1.6.1 低散热发动机燃烧过程的研究28-29
• 1.6.2 低散热发动机性能的研究29-31
• 1.7 低散热压缩点火分层燃烧过程的提出31-32
• 1.8 选题意义及研究内容32-34
• 第二章 低散热压缩点火天然气发动机系统设计34-56
• 2.1 燃烧室设计思路与设计方案34-41
• 2.1.1 燃烧室设计思路34-35
• 2.1.2 涡流室的结构、尺寸设计35-37
• 2.1.3 燃烧室隔热设计37-41
• 2.2 辅助加热装置的设计41-45
• 2.2.1 空气加热系统的设计43
• 2.2.2 陶瓷电热塞的设计选型43-45
• 2.3 天然气燃料供给系统的设计45-51
• 2.3.1 天然气供气系统的设计45-50
• 2.3.2 可靠性设计50
• 2.3.3 安全性设计50-51
• 2.4 试验设备51
• 2.5 发动机台架试验装置51-52
• 2.6 标定试验52-55
• 2.6.1 高压喷射阀流量标定52-54
• 2.6.2 低压喷射阀流量标定54
• 2.6.3 电热塞温度标定54-55
• 2.6.4 空气流量计标定55
• 2.7 本章小结55-56
• 第三章 低散热压缩点火天然气发动机电控系统的设计56-71
• 3.1 电控系统设计方案56-58
• 3.1.1 电控系统设计要点56
• 3.1.2 电控系统开发流程56-58
• 3.2 基于计算机的电控系统硬件设计58-67
• 3.2.1 采集卡的选择58-59
• 3.2.2 I/O 卡的选择59
• 3.2.3 82C54 工作原理59-61
• 3.2.4 控制信号逻辑合成电路61-62
• 3.2.5 喷射阀驱动模块电路设计62-64
• 3.2.6 控制系统抗干扰设计64-67
• 3.3 计算机控制系统软件设计67-70
• 3.3.1 控制系统软件设计原则67
• 3.3.2 计算机控制系统程序设计67-70
• 3.4 本章小结70-71
• 第四章 低压供气预混合压缩着火燃烧过程的研究71-91
• 4.1 天然气发动机压缩着火起动特性的研究71-75
• 4.1.1 辅助加热温度对压缩着火天然气机起动性能的影响71-72
• 4.1.2 主副室通道直径对压缩着火天然气机起动性能的影响72-74
• 4.1.3 低散热结构对起动性能的影响74-75
• 4.2 低压供气压缩着火天然气机循环波动影响因素的研究75-76
• 4.3 低压供气压缩着火天然气机燃烧过程影响因素的研究76-83
• 4.3.1 进气加热温度对燃烧过程的影响76-81
• 4.3.2 电热塞辅助加热对燃烧过程的影响81-82
• 4.3.3 通道尺寸对发动机失火与敲缸的影响82-83
• 4.4 低压供气压缩点火天然气机运转特性的试验研究83-89
• 4.4.1 进气空气加热对充气效率的影响84
• 4.4.2 方案一负荷特性的试验研究84-86
• 4.4.3 方案二负荷特性的试验研究86-88
• 4.4.4 方案三负荷特性的试验研究88
• 4.4.5 方案四负荷特性的试验研究88-89
• 4.5 发动机运转范围的比较89-90
• 4.5.1 通道直径14mm 活塞喷涂前后运转范围比较89
• 4.5.2 通道直径对运转范围的影响89-90
• 4.6 本章小结90-91
• 第五章 复合供气压缩着火燃烧过程的研究91-118
• 5.1 复合供气天然气发动机压缩着火起动性能的研究92-93
• 5.1.1 天然气供气方式对起动性能的影响92
• 5.1.2 高压供气定时和高、低压供气比例对起动性能的影响92-93
• 5.1.3 通道尺寸对起动的影响93
• 5.2 复合供气压缩着火燃烧过程影响因素的研究93-109
• 5.2.1 方案一对燃烧过程的影响93-95
• 5.2.2 方案二对燃烧过程的影响95-99
• 5.2.3 方案三对燃烧过程的影响99-103
• 5.2.4 方案四对燃烧过程的影响103-106
• 5.2.5 方案五对燃烧过程的影响106-109
• 5.3 复合供气压缩着火天然气发动机运转特性的研究109-115
• 5.3.1 转速14001/min 负荷特性的研究109-112
• 5.3.2 转速12001/min 负荷特性的研究112-115
• 5.4 发动机运转范围的比较115-116
• 5.4.1 复合供气方式下四种通道尺寸运转范围比较115
• 5.4.2 两种供气方式下运转范围的比较115-116
• 5.5 本章小结116-118
• 第六章 全文总结与展望118-121
• 6.1 全文总结118-119
• 6.2 未来工作展望119-121
• 本文创新工作和新观点说明121-122
• 参考文献122-128
• 发表论文和参加科研情况说明128-129
• 致 谢129

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