面向柴油引燃天然气发动机性能的双燃(附件)
随着化石能源的日益枯竭以及环境问题不断的出现，使用传统化石燃料已经不能够满足社会的发展需要。因此天然气作为优秀的替代能源逐渐被重视。而在天然气发动机的实际运用开发中，引燃柴油量，喷油时间，喷油器孔的大小，喷油器喷油位置和天然气供气量等都会对天然气发动机性能有很大的影响。为了深入研究柴油/天然气双燃料发动机性能，本文利用GT-power软件建立四缸柴油机模型，在此模型的基础上，对引燃柴油量、天然气供气量即掺混比进行深入研究，探索其对发动机性能的影响。经过仿真分析，得出以下结论随着掺混比的变大，柴油/天然气双燃料发动机动力性能与原柴油发动机相当，但经济性却优于原机。而且双燃料发动机还能够同时降低NOx和PM的排放，提高双燃料发动机的排放性能。因此柴油引燃天然气发动机确实可以解决能源危机和环境问题。关键词 柴油引燃，天然气发动机，GT-power仿真研究
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内研究现状 2
1.3 研究内容 3
1.4 本章小结 4
第二章 天然气燃料的物理性质以及双燃料发动机工作特点 4
2.1 天然气的物理特性 4
2.2 柴油/天然气双燃料发动机的特性 5
2.3 双燃料发动机的掺混燃烧的特点 5
2.4 本章小结 6
第三章 双燃料发动机中燃料的燃烧方式和供给方式 6
3.1 天然气的燃烧方式 6
3.2 双燃料发动机中柴油与天然气的供给方式 6
3.3 本章小结 7
第四章 GTPower软件介绍和计算公式以及燃烧模型的选择 8
4.1 GTPower软件介绍 8
4.2 GTpower中数学模型的计算 9
4.3 气缸内做功过程计算分析 10
4.4 GTPower中燃烧模型的了解及选择 11
4.5 本章小结 11
第五章 双燃料发动机掺混比仿真方案的设计和结果分析 12
5.1 仿真方案分析 12
5 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
.2 仿真建模 13
5.3 仿真结果与分析 14
5.3.1 缸内压力曲线图 14
5.3.2 缸内温度曲线图 16
5.3.3 缸内燃烧率曲线图 17
5.3.4 缸内排放特性曲线图 18
结论 21
致 谢 22
参考文献 23
第一章 绪论
1.1 研究背景
由于中国经济的迅猛发展[1]，汽车保有量在美国之后居世界第二，但是石油储量很难满足不断增长的汽车保有量，因此寻找能够替代石油作为汽车主要燃料的新能源是各国紧要任务之一。在汽车革新技术不断前进的同时，新能源技术取得很大成就，不断有新燃料被开发，并且运用到汽车上。在这些新能源中，技术发展比较成熟的是天然气。天然气的开发一方面缓解了当前汽车对传统化石燃料汽油、柴油的需求，另一方面也缓解了环境问题的恶化。所以天然气理所当然的成为了第三大能源，与可燃冰[2]一起作为清洁能源被使用着。地球上的天然气潜在消耗量将赶超石油的消耗量，可能新世界还会位居各种的能源使用之首。
天然气有自燃温度高、抗爆性好的优点，排放性能可以达到一定水平，非常适合作为发动机的替代燃料，不过使用天然气掺混燃烧需要对普通的单燃料发动机进行特别的设计和改造。因此在保持原有的供油系统、配气系统等基本结构基本不变的前提下，添加天然气供给系统，运用电控的方式控制天然气喷入量和持续时间，使发动机在“双阶段双燃料模式”下工作，即在怠速和以下负荷工况下是纯柴油燃烧运作，在以上负荷适量喷入天然气，以柴油为引燃剂点燃天然气。
柴油/天然气双燃料发动机相比一般的化石燃料发动机在排放方面具有优势，并且主要成分天然气是高辛烷值的甲烷，它的辛烷值是130，还有一定的抗爆震性能，因此柴油/天然气双燃料发动机不仅有柴油机的高压缩比特点，而且掺混燃烧天然气后发动机具有不易发生爆震的特点，进而保证双燃料发动机的动力性和安全性。柴油/天然气双燃料发动机普及后可以带来更高的经济利益和较低的污染排放，由于使用柴油做引燃剂的双燃料发动机在动力性能，燃油经济性能以及排放性能各方面都有一定的积极因素，因此此双燃料发动机在未来的几年乃至几十年都将成为各汽车行业研究的重中之重。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
国外对于柴油/天然气双燃料发动机的探索是在20世纪中期开始的，世界上第一台采用天然气作为燃料的汽车就是在这时期由英国一家内燃机研究所[3]研究设计而出。欧美等国家在柴油/天然气双燃料发动机的探索在上世纪末期比较成功，每个研究所和汽车企业在双燃料发动机的开发方面有所斩获。
雅典国立技术大学的R. G. Papagiannakis等人[4]在天然气/柴油双燃料发动机发面研究了十几年，从理论和实际方面探索了燃烧边界条件如进气量、EGR、转速、负荷、引燃柴油量、引燃柴油喷射时刻等对发动机性能的影响；埃及扎加齐克大学在柴油的喷射时刻和喷油量，以及发动机的爆燃特性方面有重点研究；日本的早稻田大学和加拿大卡尔加里大学[5]采用仿真流体软件研究了天然气/柴油双燃料发动机中的燃烧过程。
沃尔沃集团[6]设计出的重型柴油天然气双燃料发动机，能提高燃烧效率，降低排放。加拿大西港公司探索加大柴油的喷射压力的方式来使柴油充分燃烧，来提高天燃气的燃烧特性，有效地降低污染排放。
美国库柏公司设计的双燃料发动机[7]，重新设计了燃烧室和进气道，在缸盖上设计出柴油预燃室，然后在预燃室内设计了微量喷油器。当发动机处于双燃料工况下，引燃柴油先被喷入预燃室，待柴油燃烧后，火焰传播到主燃室，引燃天然气，从而实现双燃料发动机的设计，降低排放污染。
用高压共轨喷射的柴油作为引燃剂是由美国 BKM 公司设计[8]。引燃剂占总燃料能量的比例不足 1%，从而微引燃柴油缸内直喷燃烧技术被实现，并且在发动机全工况内天然气转换率在 95%以上。
加拿大西港创新公司设计出的发动机喷射系统[9]，目的是在提高柴油喷射压力，从而使柴油在缸内的雾化，一定程度减少含氮污染物的排放，最后呈现出的发动机性能与原发动机性能相当。
1.2.2 国内研究现状
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内研究现状 2
1.3 研究内容 3
1.4 本章小结 4
第二章 天然气燃料的物理性质以及双燃料发动机工作特点 4
2.1 天然气的物理特性 4
2.2 柴油/天然气双燃料发动机的特性 5
2.3 双燃料发动机的掺混燃烧的特点 5
2.4 本章小结 6
第三章 双燃料发动机中燃料的燃烧方式和供给方式 6
3.1 天然气的燃烧方式 6
3.2 双燃料发动机中柴油与天然气的供给方式 6
3.3 本章小结 7
第四章 GTPower软件介绍和计算公式以及燃烧模型的选择 8
4.1 GTPower软件介绍 8
4.2 GTpower中数学模型的计算 9
4.3 气缸内做功过程计算分析 10
4.4 GTPower中燃烧模型的了解及选择 11
4.5 本章小结 11
第五章 双燃料发动机掺混比仿真方案的设计和结果分析 12
5.1 仿真方案分析 12
5 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
.2 仿真建模 13
5.3 仿真结果与分析 14
5.3.1 缸内压力曲线图 14
5.3.2 缸内温度曲线图 16
5.3.3 缸内燃烧率曲线图 17
5.3.4 缸内排放特性曲线图 18
结论 21
致 谢 22
参考文献 23
第一章 绪论
1.1 研究背景
由于中国经济的迅猛发展[1]，汽车保有量在美国之后居世界第二，但是石油储量很难满足不断增长的汽车保有量，因此寻找能够替代石油作为汽车主要燃料的新能源是各国紧要任务之一。在汽车革新技术不断前进的同时，新能源技术取得很大成就，不断有新燃料被开发，并且运用到汽车上。在这些新能源中，技术发展比较成熟的是天然气。天然气的开发一方面缓解了当前汽车对传统化石燃料汽油、柴油的需求，另一方面也缓解了环境问题的恶化。所以天然气理所当然的成为了第三大能源，与可燃冰[2]一起作为清洁能源被使用着。地球上的天然气潜在消耗量将赶超石油的消耗量，可能新世界还会位居各种的能源使用之首。
天然气有自燃温度高、抗爆性好的优点，排放性能可以达到一定水平，非常适合作为发动机的替代燃料，不过使用天然气掺混燃烧需要对普通的单燃料发动机进行特别的设计和改造。因此在保持原有的供油系统、配气系统等基本结构基本不变的前提下，添加天然气供给系统，运用电控的方式控制天然气喷入量和持续时间，使发动机在“双阶段双燃料模式”下工作，即在怠速和以下负荷工况下是纯柴油燃烧运作，在以上负荷适量喷入天然气，以柴油为引燃剂点燃天然气。
柴油/天然气双燃料发动机相比一般的化石燃料发动机在排放方面具有优势，并且主要成分天然气是高辛烷值的甲烷，它的辛烷值是130，还有一定的抗爆震性能，因此柴油/天然气双燃料发动机不仅有柴油机的高压缩比特点，而且掺混燃烧天然气后发动机具有不易发生爆震的特点，进而保证双燃料发动机的动力性和安全性。柴油/天然气双燃料发动机普及后可以带来更高的经济利益和较低的污染排放，由于使用柴油做引燃剂的双燃料发动机在动力性能，燃油经济性能以及排放性能各方面都有一定的积极因素，因此此双燃料发动机在未来的几年乃至几十年都将成为各汽车行业研究的重中之重。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
国外对于柴油/天然气双燃料发动机的探索是在20世纪中期开始的，世界上第一台采用天然气作为燃料的汽车就是在这时期由英国一家内燃机研究所[3]研究设计而出。欧美等国家在柴油/天然气双燃料发动机的探索在上世纪末期比较成功，每个研究所和汽车企业在双燃料发动机的开发方面有所斩获。
雅典国立技术大学的R. G. Papagiannakis等人[4]在天然气/柴油双燃料发动机发面研究了十几年，从理论和实际方面探索了燃烧边界条件如进气量、EGR、转速、负荷、引燃柴油量、引燃柴油喷射时刻等对发动机性能的影响；埃及扎加齐克大学在柴油的喷射时刻和喷油量，以及发动机的爆燃特性方面有重点研究；日本的早稻田大学和加拿大卡尔加里大学[5]采用仿真流体软件研究了天然气/柴油双燃料发动机中的燃烧过程。
沃尔沃集团[6]设计出的重型柴油天然气双燃料发动机，能提高燃烧效率，降低排放。加拿大西港公司探索加大柴油的喷射压力的方式来使柴油充分燃烧，来提高天燃气的燃烧特性，有效地降低污染排放。
美国库柏公司设计的双燃料发动机[7]，重新设计了燃烧室和进气道，在缸盖上设计出柴油预燃室，然后在预燃室内设计了微量喷油器。当发动机处于双燃料工况下，引燃柴油先被喷入预燃室，待柴油燃烧后，火焰传播到主燃室，引燃天然气，从而实现双燃料发动机的设计，降低排放污染。
用高压共轨喷射的柴油作为引燃剂是由美国 BKM 公司设计[8]。引燃剂占总燃料能量的比例不足 1%，从而微引燃柴油缸内直喷燃烧技术被实现，并且在发动机全工况内天然气转换率在 95%以上。
加拿大西港创新公司设计出的发动机喷射系统[9]，目的是在提高柴油喷射压力，从而使柴油在缸内的雾化，一定程度减少含氮污染物的排放，最后呈现出的发动机性能与原发动机性能相当。
1.2.2 国内研究现状
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