4SH-N天然气发动机工作过程优化及排放控制

论文摘要

天然气以其资源丰富和燃烧清洁的优势成为汽车替代能源的首选,但也存在着火温度高、火焰传播速度慢和发动机功率密度低等问题。结合这些问题,本文以试验研究和计算机模拟分析为手段对优化4SH-N天然气发动机工作过程的方法和控制排放的技术措施进行了深入研究,旨在改善发动机的动力性、经济性和排放性能。通过缸盖改进设计和优化压缩比,使发动机的额定功率从56.6kW增加到69.8kW,最低比气耗下降15.4%。为了充分、合理的利用进气系统内气体流动的动力效应实现增压,提高发动机的功率密度,通过一维和三维仿真工具对进气和配气系统进行了优化和性能评价,结果表明:优化后发动机额定功率提高了5.2kW,最低比气耗降低5.2%,进气最大不均匀性被控制在4%以下。在对发动机缸内流场演变和燃烧过程模拟分析的基础上,提出一种指导天然气发动机燃烧室结构优化的方法,并对新设计两种燃烧室内流动和燃烧过程进行了模拟,结果表明:两种燃烧室都能够明显改善发动机性能,其中2#挤气喷射燃烧室的初期火核稳定,挤流与滚流的有效耦合增加了缸内湍动能,相同曲轴转角下火焰前锋面被扩大,燃烧过程改善较明显;试验对比了采用原燃烧室和2#燃烧室时发动机性能,结果表明:采用2#挤气喷射燃烧室时发动机额定功率增加3.7kW,最低比气耗下降4.4%,HC和CO排放下降,NOx排放增加。为了有效控制发动机排放,研究了不同催化器成份对天然气发动机排放的影响,完成了电控多点喷射闭环燃料控制系统与催化后处理器的匹配和整机标定,瞬态循环测试结果表明:4SH-N天然气发动机能够达到国Ⅲ排放要求。为了挖掘4SH-N天然气发动机进一步提高燃料经济性和降低排放的潜力,对增压稀燃技术、EGR技术和H2-SCR技术进行了研究,试验结果表明:与采用纯空气稀释相比,稀混合气加EGR的方法在达到相同NOx排放控制目标值时能获得更高的热效率,因此提出了EGR和λ联合的NOx排放控制策略,确定了由EGR和λ表示的NOx排放控制区,该区域内在没有催化后处理器的条件下可以将NOx降低到1g/（kW?h）以下。当天然气发动机在高效稀混合气条件下运行时,采用H2-SCR技术可以使NOx的转化效率达到100%,并对影响NOx转化效率的各种因素进行了研究。本文对稀混合气加EGR和H2-SCR技术的研究为满足未来更严格排放法规要求提供了基础研究数据和技术储备。

论文目录

• 提要
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 天然气作为汽车替代能源的优势及问题
• 1.3 天然气发动机发展
• 1.3.1 天然气发动机技术的发展
• 1.3.2 天然气发动机类型及特点
• 1.4 改善天然气发动机性能的技术措施
• 1.4.1 电控燃料喷射技术
• 1.4.2 燃烧室结构优化
• 1.4.3 点火系统的设计
• 1.4.4 增压技术
• 1.5 发动机排放控制技术
• 1.5.1 当量比条件下排放控制技术
• 1.5.2 富氧条件下排放控制技术
• 1.6 数值模拟技术发展与应用
• 1.6.1 数值模拟技术发展的背景
• 1.6.2 CFD模拟工具
• 1.6.3 数值模拟在天然气发动机上的应用
• 1.7 课题研究意义和内容
• 第2章 发动机基本机构改造及进气系统优化
• 2.1 发动机基本结构改造
• 2.2 进气系统结构参数对发动机性能的影响
• 2.2.1 进气总管长度的影响
• 2.2.2 谐振腔容积的影响
• 2.2.3 进气歧管长度的影响
• 2.2.4 进气歧管入口直径的影响
• 2.2.5 进气系统结构优化
• 2.3 进气系统结构对发动机进气不均匀性的影响
• 2.3.1 稳态模拟结果分析
• 2.3.2 瞬态模拟结果分析
• 2.4 配气相位的优化
• 2.5 进气系统和配气相位优化前后发动机性能对比
• 2.5.1 试验条件
• 2.5.1.1 试验仪器及设备
• 2.5.1.2 发动机电控系统
• 2.5.1.3 燃料供给系统
• 2.5.1.4 点火系统
• 2.5.2 试验结果分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 4SH-N天然气发动机性能的模拟研究
• 3.1 三维几何模型的建立
• 3.2 计算网格划分
• 3.3 模型与算法的选取
• 3.4 初始条件和边界条件的确定
• 3.5 模型验证
• 3.6 计算结果分析
• 3.6.1 缸内流场演变过程分析
• 3.6.1.1 缸内速度场演变过程
• 3.6.1.2 缸内湍流场演变过程分析
• 3.6.2 燃烧过程分析
• 3.6.3 缸内NOx排放的分布规律
• 3.7 本章小结
• 第4章 燃烧室结构优化对发动机性能的影响
• 4.1 燃烧室形状对发动机性能的影响
• 4.2 燃烧室形状对缸内流场演变过程的影响
• 4.2.1 燃烧室形状对缸内速度场演变过程影响
• 4.2.2 燃烧室形状对缸内湍流场演变过程影响
• 4.3 燃烧室形状对燃烧过程影响
• 4.4 燃烧室形状对NO排放的影响
• 4.5 采用不同燃烧室时发动机性能的试验对比
• 4.6 不同优化措施带来的收益对比
• 4.7 本章小结
• 第5章 催化后处理器匹配与整机标定
• 5.1 三效催化器的催化反应机理
• 5.2 不同成份配比催化器对发动机排放的影响
• 5.2.1 催化器特性参数对比
• 5.2.2 催化器安装位置的选择
• 5.2.3 试验工况的确定
• 5.2.4 催化器空燃比特性研究
• 5.2.4.1 1#催化器的空燃比特性
• 5.2.4.2 2#催化器的空燃比特性
• 5.2.4.3 3#催化器的空燃比特性
• 5.3 整机标定与排放检测
• 5.3.1 整机标定
• 5.3.2 排放检测
• 5.4 本章小结
• 第6章 富氧条件下排放控制技术
• 6.1 增压稀燃技术
• 6.1.1 混合气浓度对发动机经济性的影响
• 6.1.2 混合气浓度对发动机排放性能的影响
• 6.1.3 混合气浓度对循环变动的影响
• 6.2 EGR 和 λ 联合的 NOx 排放控制策略
• 6.2.1 稀混合气加EGR和稀燃技术的比较
• 6.2.2 EGR和λ联合的NOx排放控制区域
• 6.2.3 NOx排放控制区内发动机性能
• 2-SCR技术'>6.3 H₂-SCR技术
• 2-SCR对NOx转化效率'>6.3.1 不同氧含量下H₂-SCR对NOx转化效率
• 2-SCR对NOx转化效率'>6.3.2 不同氢喷射位置下H₂-SCR对NOx转化效率
• 2-SCR对NOx转化效率'>6.3.3 使用不同喷嘴时H₂-SCR对NOx转化效率
• 2-SCR对NOx转化效率'>6.3.4 不同排气温度下H₂-SCR对NOx转化效率
• 6.4 本章小结
• 第7章 全文总结与工作展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 工作展望
• 7.3 本文创新点
• 参考文献
• 攻博期间发表的学术论文
• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT