基于缸内热化学重整的点燃式天然气发动机研究

发布时间：2020-06-27 21:26

【摘要】：本文基于一台进气道预混四缸点燃式涡轮增压天然气发动机,对发动机的缸内热化学燃料重整(TFR)燃烧模式展开了全面而深入研究。对重整循环模式、压缩比以及点火提前角等参数对缸内热化学燃料重整过程和整机燃烧与排放特性进行了深入研究。在以上工作基础之上,展开了TFR与当量燃烧和稀薄燃烧两种燃烧方式耦合的研究。最终形成了采用当量燃烧的“Stoi+TFR+TWC”和采用稀薄燃烧的“Lean+TFR”两种点燃式天然气发动机高效低排放技术策略。本文首先研究了EGR策略对天然气发动机燃烧和排放的影响,分析了EGR影响缸内燃烧和常规排放的内在机理,总结了EGR对整机性能的影响规律。为深入研究EGR影响发动机性能的机制,本文通过对比隔离法研究了EGR的典型组分CO_2和N_2以及Ar这三种稀释气体的稀释效应、热效应以及CO_2的化学效应。研究发现,EGR有利于降低整机的NOx排放,但主要由于EGR的CO_2和N_2成分存在较强的热效应,使得EGR并不利于整机的燃烧性能。为克服EGR策略了对燃烧的不利影响,本文展开了在EGR策略基础上采用掺烧H_2的策略来优化发动机性能的实验。结果表明,采用EGR+H_2策略可以实现发动机的燃烧和排放性能的全面优化。不过,因纯H_2的存储运输等问题使得EGR+H_2策略而不利于实际应用。为此,本文尝试采用“缸内热化学燃料重整”(In-Cylinder Thermochemical Fuel Reforming:ICTFR,Simplified as:TFR)的方式试图实现H_2与EGR的在线有机结合。基于“缸内热化学燃料重整”概念发动机运行模式如下:将发动机的某一缸(本文采用第四缸)运行在浓燃状态下(当量比大于1.00,发动机原机采用进气总管燃料喷射方式,第四缸的浓燃通过进气歧管额外加装的喷嘴喷射燃料实现),并将该缸(重整缸)的排气管独立出来并将其所有排气直接送入发动机的进气中。本文的验证试验表明,通过缸内浓燃的方式,浓燃缸的排气中除了EGR主要成分CO_2和N_2之外,还存在大量H_2,CO活性气体成分。由此实现了EGR与H_2的有机结合。随后,本文展开了压前、压后、节后三种TFR进气模式(Pre-Compressor TFR Loop:PC-TFRL;After-Compressor TFR Loop:AC-TFRL;After-Throttle TFR Loop:AT-TFRL)下发动机性能的对比研究并证明了AC-TFRL模式的综合性能最优。在AC-TFRL的模式下,深入研究了TFR对发动机的性能影响。研究表明,同常规当量燃烧的天然气发动机相比,TFR模式下的发动机经济性能与其相当,而BSNOx显著地降低。不过采用天然气缸内热化学重整燃烧模式的最大缺点在于重整缸在浓燃状态下存在明显的燃烧不稳定现象,可稳定运行的重整缸当量比较为狭窄,且与常规缸之间存在较明显低IMEP差异。深入分析表明,对重整缸的优化是实现TFR模式天然气发动机整机优化的关键所在。针对前述重整缸的问题,本文研究了采用液体燃料(甲醇、乙醇和正庚烷)加浓、增加压缩比以及重整缸点火正时的措施实现对重整缸的优化,并结合常规缸的点火正时实现了发动机的整机性能优化。研究表明,采用甲醇、乙醇以及正庚烷加浓策略后,重整缸以及常规缸乃至整机的性能均显著提高。就天然气、甲醇、乙醇以及正庚烷加浓燃料而言,甲醇燃料是最优异的加浓燃料,且性能显著优于其他三种加浓燃料。通过采用甲醇加浓策略,成功解决了纯天然气燃料缸内重整引起的重整缸燃烧不稳定的现象。实验结果还表明,提高发动机压缩比是改善TFR天然气发动机性能的有效措施。提高整机压缩比(常规缸和重整缸均提高压缩比)后,重整缸内的燃烧质量更高,工作更加稳定,且重整缸稳定运行当量比窗口大幅拓宽。不仅如此,整机燃烧稳定性、经济性均显著提高,而BSNOx排放显著降低。结合点火正时优化措施,最终实现了基于TFR的点燃式天然气发动机的稳定高效运行。在前述研究基础上,本文展开了当量燃烧和稀薄燃烧与TFR耦合所形成的“Stoi+TFR+TWC”和“Lean+TFR”两种策略研究。此外,结合高压缩比、甲醇加浓、点火正时和当量比控制措施对采用这两种策略的天然气发动机性能展开了综合优化。研究表明,在“Stoi+TFR+TWC”策略中,基于“微震荡”策略的TWC的控制策略是整机排放优化的关键所在;而在“Lean+TFR”策略中,常规缸和重整缸的当量比控制则是优化整机性能的核心。同原稀燃式天然气发动机相比,优化后的“Stoi+TFR+TWC”和“Lean+TFR”两种策略均显著提高发动机的经济性能并大幅降低整机的排放。最终形成了“Stoi+TFR+TWC”和“Lean+TFR”两种点燃式天然气发动机高效低排放的技术策略。就这两种技术策略而言,相比之下,“Lean+TFR”的经济性更优,而“Stoi+TFR+TWC”的动力潜能和排放性能更佳。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK43
【图文】：

世界石油,能源,石油资源,高速发展

世界经济一直保持着高速发展的势头。为社会的发展提供动力。时至今日，石油依然发挥统计数据表明，目前整个世界的石油储量约为 1698由于石油资源的不可再生性以及复杂的世界地缘政多次石油危机以及因石油资源而引发了多次战争。界经济高速发展的重要因素之一。就我国而言，石为整个世界石油资源的 0.91%（如图 1- 1 所示），是济的高速发展，对石油的需求量也逐年增加（如图进口。至 2014 年，我国石油的进口依存度已达 60%4 年底，中国机动车保有量已达 1.46 亿辆且依然保持。这与石油短缺所形成的鲜明矛盾极为显著。相关研依然是最主要的动力设备，而石油也依然是最主要能源安全以及经济的繁荣发展构成严重威胁。

压燃,直喷,燃烧系统,天然气

来源的天然气成分通常存在明显的差异。这对于采系统存在较大的挑战。另一方面，普通氧化催化转I 燃烧模式下的排气温度通常较低，这对于高效催化，将 HCCI 燃烧模式在天然气发动机上的工程化使用气发动机：与传统柴油一样的工作原理一样，直喷动机进气道进入缸内，在压缩冲程结束前后，天然由气阀控制）并随后被压燃。由于天然气自燃温度其实现压燃，如图 1- 4 所示。非均质压燃式天然气年在二冲程发动机上实现。其燃料由特制的提升阀控发动机正常工作要求非常严格，但可以实现非常稀[108]。而在随后的 20 年内其相关研究鲜有进展。直动机再次受到关注和研究，诣在实现天然气燃料在

【参考文献】