重型車用增壓中冷稀燃LNG發(fā)動機性能研究.pdf

1、環(huán)境問題和能源危機是當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任。進入21世紀后，中國經(jīng)濟高速發(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)帶動其它行業(yè)的發(fā)展，帶來嚴重的環(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，成為重卡天然氣發(fā)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(fā)動機為對象，對LNG發(fā)動機的進氣混合系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、發(fā)動機性能及汽車燃氣加熱器和LNG發(fā)動機的聯(lián)合運行進行了較為系統(tǒng)的數(shù)值模擬和試驗

3、研究，開發(fā)出性能良好的重型車用稀燃LNG發(fā)動機。
　　 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)對混合均勻性的影響。計算結(jié)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(xù)的摻混和燃燒。綜合評價各方面的參數(shù)，優(yōu)選了WP10NGE40發(fā)動機

4、的混合器。建立了發(fā)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(tài)模擬技術(shù)，研究了截面為矩形和梯形兩種結(jié)構(gòu)的進氣管對發(fā)動機進氣均勻性的影響，結(jié)果表明WP10NGE40發(fā)動機選用梯形截面結(jié)構(gòu)的進氣管，其進氣均勻性更佳。
　　 設(shè)計了四種不同結(jié)構(gòu)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(wǎng)格，并根據(jù)WP10NGE40發(fā)動機的過量空氣系數(shù)在0.6-1.7范圍內(nèi)的情況，選擇標準的CFM-2A模型，對發(fā)動機的

5、進氣、壓縮、點火和火焰?zhèn)鞑ミ^程進行了瞬態(tài)模擬。研究燃燒室擠流面積、燃燒室凹坑圓角、壓縮余隙、燃燒室凹坑深度對缸內(nèi)氣流運動及點火和火焰發(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)氣流運動及燃燒過程，并對比了燃燒持續(xù)期，確定了WP10NGE40發(fā)動機的燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)。
　　 針對國內(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混合發(fā)動機的需要等問題，提出帶有自增壓系統(tǒng)的LNG燃料罐，并設(shè)計了帶有LNG汽化器換熱強度控制和汽化后天然氣溫度調(diào)節(jié)的兩級調(diào)節(jié)天然氣發(fā)動機燃料供給系統(tǒng)。對燃料供給系統(tǒng)進行了保溫性、可靠性試驗及自增壓和非增壓系統(tǒng)對供氣能力影響的對比試驗，試驗結(jié)果表明采用該系統(tǒng)后供氣穩(wěn)定，發(fā)動機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可滿足使用需要。
　　 研究了燃空比、火花塞間隙、噴射壓力等運行參數(shù)對發(fā)動機動力性和經(jīng)濟

7、性的影響。試驗結(jié)果表明:當發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1000r·min-1，燃空比在0.77左右時該發(fā)動機的燃氣消耗率達到最低;發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1400r·min-1，燃空比在0.76左右時發(fā)動機的燃氣消耗率達到最低值;當發(fā)動機的火花塞間隙為0.4mm時可以兼顧發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和可靠性;發(fā)動機轉(zhuǎn)速在800r·min-1-1200 r·min-1范圍內(nèi)時，噴射壓力降低后發(fā)動機的氣耗率增加，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，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)動機的經(jīng)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(fā)動機外特性及負荷特性的HC和NOx排放進行了研究。研究結(jié)果表明:進氣管單點噴射增壓發(fā)動機存在混合氣掃氣現(xiàn)象，外特性工

9、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(zhuǎn)速）碳氫排放的影響最顯著;發(fā)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(zhuǎn)速時，隨負荷率的增加CH4占THC排放的比例升高。稀燃天然氣發(fā)動機在外特性運行時低轉(zhuǎn)速的NOx排放水平比高速運行時高，外特性安裝催化轉(zhuǎn)化器后發(fā)動機NOx排放升高;發(fā)動機轉(zhuǎn)速為

10、1000r·min-1和1400r·min-1時，隨負荷率的增大NOx排放呈先增大后減小的趨勢;發(fā)動機在1000r·min-1和1400r·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(fā)動機轉(zhuǎn)速為2000r·min-1時，在整個負荷率范圍內(nèi)NOx排放水平較低，安裝催化器后，NOx總體排放水平升高。
　　 針對重卡LNG發(fā)動機在寒區(qū)運行時暴露出的冷車起動困難

11、、供氣不足、供氣溫度過低及取暖問題，設(shè)計了汽車燃氣加熱器和LNG發(fā)動機聯(lián)合運行系統(tǒng)，開展了臺架試驗及車輛寒區(qū)試驗。結(jié)果表明:汽車燃氣加熱器與LNG發(fā)動機共用一套LNG燃料供給系統(tǒng)，聯(lián)合運行穩(wěn)定，試驗過程中加熱器起動容易、燃燒穩(wěn)定;加熱器和發(fā)動機聯(lián)合運行對LNG發(fā)動機的冷起動改善效果明顯，在寒區(qū)汽車燃氣加熱器和發(fā)動機聯(lián)合運行可以有效改善發(fā)動機的冷起動性。
　　 綜上所述，課題從LNG發(fā)動機進氣混合過程、燃燒過程、燃料供給系統(tǒng)到發(fā)動