掺氢对天然气发动机缸内燃烧过程及性能的影响研究

发布时间：2017-10-19 03:28

  本文关键词：掺氢对天然气发动机缸内燃烧过程及性能的影响研究

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【摘要】：随着汽车行业的迅猛发展,车用燃油的需求逐年激增,汽车尾气对环境的污染也日益严重,发展替代燃料是减小石油需求、缓解环境污染问题的重要途径。天然气作为一种储量丰富且清洁环保的替代能源越来越受到人们的重视,但是作为车用燃料其存在燃烧速度慢、热值低等缺点。氢气燃烧速度快、热值高等特点正好可以弥补天然气作为车用燃料的缺点,天然气掺混氢气作为一种新型替代燃料越来越受到人们的重视。本文在天然气发动机台架试验基础上研究了缸内燃烧参数随掺氢比例变化的本质规律,在总结掺氢对燃烧过程的影响规律的前提下建立可供天然气掺氢发动机正向开发的标准数模。本文开展了高压缩比、增压预混天然气发动机掺氢台架试验研究,获得了性能参数、运行参数和燃烧参数,在此基础上研究天然气发动机掺氢后缸内燃烧过程及性能参数,尤其是关键燃烧参数:50%燃烧点位置,10%-90%燃烧持续期随氢气能量比的变化规律;并基于这些规律分析了掺氢对天然气发动机当量比气耗、NOX、HC、CO2排放的影响规律;基于上述规律,建立了天然气掺氢发动机的标准数模,可以用于预测同类发动机的性能参数。通过本文的研究得出如下结论:缸内燃烧放热过程随氢气能量比的增加逐步加快,0-10%燃烧持续期,10%-90%燃烧持续期均随氢气能量比的增加而缩短,其中0-10%燃烧持续期对氢气能量比的变化更为敏感,氢气对天然气发动机缸内燃烧过程的影响主要集中在燃烧初期,50%燃烧点位置随氢气能量比增加也有比较明显的提前;缸内最高爆发压力以及最大压力升高率均随氢气能量比的增加而升高,其所对应的曲轴转角位置随氢气能量比的增加而提前;此外,掺氢可以有效降低燃烧循环变动率;当量比气耗随氢气能量比的增加有所降低;氮氧化物随氢气能量比的增加显著升高;碳氢随氢气能量比的增加而降低;二氧化碳随氢气能量比的增加而显著降低。氢气能量比对以上这些参数的影响程度随转速和负荷的升高而逐渐减弱。最后,运用总结的定量关系而建立的天然气掺氢发动机的标准数模对同类发动机性能的预测具有比较好的准确度。
【关键词】：天然气发动机 氢气 燃烧特性 标准数模 经济性 排放
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U464.174
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 选题背景及意义10-13
• 1.1.1 能源与环境问题10-11
• 1.1.2 天然气与氢气燃料简介11-13
• 1.2 国内外研究现状13-16
• 1.2.1 天然气掺氢发动机国外研究现状13-15
• 1.2.2 天然气掺氢发动机国内研究现状15-16
• 1.3 研究方法及内容16-17
• 第2章 天然气掺氢发动机台架试验研究17-29
• 2.1 原机基本信息17-18
• 2.2 发动机台架试验18-26
• 2.2.1 基本试验设备18-22
• 2.2.2 掺氢装置的设计22-26
• 2.3 台架试验过程26-27
• 2.3.1 试验方法26-27
• 2.3.2 试验边界条件27
• 2.3.3 测试参数27
• 2.4 本章小结27-29
• 第3章 掺氢对天然气发动机缸内燃烧过程的影响29-47
• 3.1 燃料参数的计算29-30
• 3.1.1 氢气能量比的计算29-30
• 3.1.2 混合燃料理论空燃比的计算30
• 3.2 缸压数据处理方法30-32
• 3.2.1 燃烧放热率的计算方法30-31
• 3.2.2 燃烧循环变动的计算方法31-32
• 3.3 掺氢对天然气发动机燃烧参数的影响32-40
• 3.3.1 掺氢对燃烧放热率的影响32-34
• 3.3.2 掺氢对燃烧持续期的影响34-39
• 3.3.3 掺氢对缸内最高燃烧温度的影响39-40
• 3.4 掺氢对缸内最高爆发压力及最大压力升高率的影响40-42
• 3.4.1 掺氢对缸内最高爆发压力的影响40-41
• 3.4.2 掺氢对最大压力升高率的影响41-42
• 3.5 掺氢对燃烧循环变动的影响42-45
• 3.6 本章小结45-47
• 第4章 掺氢对天然气发动机性能的影响47-56
• 4.1 掺氢对热效率的影响47-49
• 4.2 掺氢对天然气发动机经济性的影响49-50
• 4.2.1 当量天然气消耗率的计算49
• 4.2.2 掺氢对天然气发动机当量比气耗的影响49-50
• 4.3 掺氢对天然气发动机排放性能的影响50-55
• 4.3.1 掺氢对天然气发动机NOX排放量的影响50-52
• 4.3.2 掺氢对天然气发动机HC排放量的影响52-53
• 4.3.3 掺氢对天然气发动机CO2排放量的影响53-54
• 4.3.4 掺氢对天然气发动机排气温度的影响54-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第5章 天然气掺氢发动机标准数模的研究56-64
• 5.1 天然气掺氢发动机GT-Power模型的建立56-61
• 5.1.1 进排气模块的建立57-58
• 5.1.2 燃料喷射模块的建立58-59
• 5.1.3 气缸模块的建立59-60
• 5.1.4 燃烧模型的设置60-61
• 5.2 天然气掺氢发动机GT-Power模型的校准61-62
• 5.3 天然气掺氢发动机标准数模的移植62-63
• 5.4 本章小结63-64
• 总结与展望64-66
• 参考文献66-69
• 附录 攻读硕士学位期间发表的论文和获得成果69-70
• 致谢70

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