柴油引燃天然气发动机低负荷性能优化(附件)
在当今这个经济快速增长，制造业发达的年代，能源的消耗也越来越大，化石燃料储量已难以维持人类经济的可持续发展。天然气因为燃烧产生的废气污染小，使用成本低，储量大而被人们寄予厚望。但天然气发动机却有其缺点，在低负荷运行时，其热效率往往较低且总碳氢排放量较高。本文在一台柴油机改装的柴油引燃天然气发动机上，通过台架实验分析了喷油正时和掺烧比对柴油引燃天然气发动机低负荷运行时的影响。主要研究了该发动机低负荷运行时随着喷油正时的增大，发动机的动力性、经济性和排放等的变化情况，并对实验数据进行分析处理，针对动力性、经济性和排放综合考虑总结出该柴油引燃天然气发动机在负荷率为30%，转速在1200r/min时喷油正时的优化值为42oCA BTDC。运用类似的方法研究燃油的掺烧比对动力性、经济性和排放的影响，得到燃油掺烧比的优化值为76%。关键词 柴油引燃、天然气、低负荷、掺烧比、喷油正时、排放
目 录
1 引言 2
1.1 本课题研究的背景及意义 2
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 国外研究现状 3
1.2.2 国内研究现状 3
1.3 本课题的研究的主要内容 5
2 试验装置及数据处理 5
2.1 试验装置 5
2.1.1 试验用发动机 6
2.1.2 试验用双燃料发动机LNG供给系统 6
2.1.3 试验仪器 8
2.2 数据处理 8
2.3 本章小结 9
3 实验分析喷油正时对柴油引燃天然气发动机的影响及优化 9
3.1 试验研究目的与试验方法 9
3.1.1 研究目的 9
3.1.2 试验方法 9
3.1.3 实验数据记录与分析 10
3.2 本章小结 14
4 实验分析掺烧比对柴油引燃天然气发动机的影响及优化 15
4.1 试验研究目的与试验方法 15
4.1.1 研究目的 15
4.1.2 试验方法 15
4.1.3 实验数据记录与分析 15
4.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
本章小结 20
结论 21
致谢 22
参考文献 23
1 引言
1.1 本课题研究的背景及意义
由于社会经济的快速发展和燃料需求的持续增长，全球石油资源日益稀缺。与此同时，环境问题也越来越严重，污染已经成为一个困扰全世界的难题。
汽车是当经济代社会重要的交通工具，亦是人类文明的一项重要标志。随着世界经济的发展，汽车数量的增长，也将导致汽车消耗更多的汽油和柴油。就当前人类对石油的消耗速度来看，地球上已经探明的石油仅能维持40到50年。因此，世界各国都在寻找各类新能源来替代汽油和柴油。天然气因为燃烧排放污染小、储量大等优点成为发动机重要的替代能源，对天然气发动机的研究也得到人们的广泛关注。
然而天然气在稀燃条件下很难被点燃，使用结构复杂、成本较高的传统高能点火方式已很难的适应要求。相比之下，柴油引燃天然气发动机的结构相对简单，且更容易点火，所以得到研究人员的青睐。
天然气发动机具备许多优点，由于其物理、化学特性，柴油机可以比汽油机在更低的温度下启动。但与传统的汽油相比天然气燃烧速度比传统汽油的燃烧速度慢，再加上天然气混合气比汽油热值低，充量系数比传统化石燃料发动机小，所以功率也相对其小。尤其是在负荷率较低及天然气相对比较稀时，发动机的热效率低，同时，大量的未燃烧的HC和更高的CO排放也将产生。因此对柴油引燃天然气发动机低负荷性能的各种影响因素的探究和对其低负荷性能进行优化很有必要。
因此，本文主要针对柴油引燃天然气发动机低负荷时热效率较低碳氢排放较高的问题进行分析，结合台架实验提出优化设计方案，降低低负荷运行时的碳氢排放，提高热效率。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
外国开始关于柴油引燃天然气发动机的探索较早，尤其是日本和美国在提升该发动机的性能方面进行了大量研究。1995年日本的Y.Daisho和他的同事们[1]用废气再循环技术让一台柴油/天然气双燃料发动机有效降低了排放污染。
日本的科学家Dishy等人[2]利用热废气再循环技术和冷废气再循环技术对双燃料发动机的性能和排放进行研究发现在发动机的负荷率较小时，热废气再循环技术不仅能让碳氢化合物的排放下降，还能提高发动机的热效率。适时关闭不需要的气缸可以增加单位体积混合气的进气量，降低一氧化碳和碳氢化合物的排放，提升发动机的能量转换率。
美国科学家Reitz等人[3]，利用软件技术等使柴油/天然气双燃料发动机高负荷工况下运行得更稳定，并且在没有使用废气再循环技术的的情况下提高了发动机的负载压力。
随着人们对双燃料发动机的不断研究，加拿大的研究人员Philip Hill等人[4]又提出了柴油微引燃天然气的缸内高压直喷技术，并在1997年4月开发了基于该技术的双燃料发动机。
1.2.2 国内研究现状
我国对柴油/天然气双燃料发动机的研究开始比较迟，跟西方国家的差距比较大。2002年，天津大学的姚春德等[5]研究了点火、燃烧压力、火焰传播和柴油天然气发动机压力升高率。研究结果表明，这种发动机的引燃需要让空气和天然气先在进气道内混合，与常规的化石燃料发动机比起来，柴油/天然气双燃料发动机的燃烧迅速、废气中的碳烟含量相对较低，缸内气压的上升的更快，最大缸内气压得到提升，滞燃期也更长。
2003年，天津大学的宋金瓯等[6]通过对新型燃烧模型的研究，发现柴油/天然气双燃料发动机的燃烧过程与传统发动机燃烧方式不同，它的燃烧分为两个不同的特性时期，在前一段时期，燃料的温度迅速上生，并快速扩散，热量的传播比较均匀，在后一段时期，燃料被压缩到压燃点后开始均匀的燃烧。
2005年，天津大学的宋金欧等[6]，分析认为甲烷会影响柴油的引燃，所以改进了壳燃烧模型，然后结合KIVA3，对柴油引燃天然气发动机的着火和燃烧过程进行了研究，并实验验证了仿真结果。结果表明，改进后的模型能很好的对柴油/天然气发动机进行仿真。经过仿真分析表明，天然气会让柴油的压燃被减缓，导致天然气着火时间变长，同时天然气与空气的混合导致比热容的变大也会延长天然气的着火时间。
姚春德等研究人员[5]，通过对柴油引燃天然气的研究发现，引燃柴油的喷射速度，喷油时间等性质会对引燃柴油的引燃的效果造成很大的改变。在发动机不会发生爆燃的情况下，如果负载较小，应当适当增加引燃柴油的量，促进天然气可以被柴油可靠的点火。
目 录
1 引言 2
1.1 本课题研究的背景及意义 2
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 国外研究现状 3
1.2.2 国内研究现状 3
1.3 本课题的研究的主要内容 5
2 试验装置及数据处理 5
2.1 试验装置 5
2.1.1 试验用发动机 6
2.1.2 试验用双燃料发动机LNG供给系统 6
2.1.3 试验仪器 8
2.2 数据处理 8
2.3 本章小结 9
3 实验分析喷油正时对柴油引燃天然气发动机的影响及优化 9
3.1 试验研究目的与试验方法 9
3.1.1 研究目的 9
3.1.2 试验方法 9
3.1.3 实验数据记录与分析 10
3.2 本章小结 14
4 实验分析掺烧比对柴油引燃天然气发动机的影响及优化 15
4.1 试验研究目的与试验方法 15
4.1.1 研究目的 15
4.1.2 试验方法 15
4.1.3 实验数据记录与分析 15
4.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
本章小结 20
结论 21
致谢 22
参考文献 23
1 引言
1.1 本课题研究的背景及意义
由于社会经济的快速发展和燃料需求的持续增长，全球石油资源日益稀缺。与此同时，环境问题也越来越严重，污染已经成为一个困扰全世界的难题。
汽车是当经济代社会重要的交通工具，亦是人类文明的一项重要标志。随着世界经济的发展，汽车数量的增长，也将导致汽车消耗更多的汽油和柴油。就当前人类对石油的消耗速度来看，地球上已经探明的石油仅能维持40到50年。因此，世界各国都在寻找各类新能源来替代汽油和柴油。天然气因为燃烧排放污染小、储量大等优点成为发动机重要的替代能源，对天然气发动机的研究也得到人们的广泛关注。
然而天然气在稀燃条件下很难被点燃，使用结构复杂、成本较高的传统高能点火方式已很难的适应要求。相比之下，柴油引燃天然气发动机的结构相对简单，且更容易点火，所以得到研究人员的青睐。
天然气发动机具备许多优点，由于其物理、化学特性，柴油机可以比汽油机在更低的温度下启动。但与传统的汽油相比天然气燃烧速度比传统汽油的燃烧速度慢，再加上天然气混合气比汽油热值低，充量系数比传统化石燃料发动机小，所以功率也相对其小。尤其是在负荷率较低及天然气相对比较稀时，发动机的热效率低，同时，大量的未燃烧的HC和更高的CO排放也将产生。因此对柴油引燃天然气发动机低负荷性能的各种影响因素的探究和对其低负荷性能进行优化很有必要。
因此，本文主要针对柴油引燃天然气发动机低负荷时热效率较低碳氢排放较高的问题进行分析，结合台架实验提出优化设计方案，降低低负荷运行时的碳氢排放，提高热效率。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
外国开始关于柴油引燃天然气发动机的探索较早，尤其是日本和美国在提升该发动机的性能方面进行了大量研究。1995年日本的Y.Daisho和他的同事们[1]用废气再循环技术让一台柴油/天然气双燃料发动机有效降低了排放污染。
日本的科学家Dishy等人[2]利用热废气再循环技术和冷废气再循环技术对双燃料发动机的性能和排放进行研究发现在发动机的负荷率较小时，热废气再循环技术不仅能让碳氢化合物的排放下降，还能提高发动机的热效率。适时关闭不需要的气缸可以增加单位体积混合气的进气量，降低一氧化碳和碳氢化合物的排放，提升发动机的能量转换率。
美国科学家Reitz等人[3]，利用软件技术等使柴油/天然气双燃料发动机高负荷工况下运行得更稳定，并且在没有使用废气再循环技术的的情况下提高了发动机的负载压力。
随着人们对双燃料发动机的不断研究，加拿大的研究人员Philip Hill等人[4]又提出了柴油微引燃天然气的缸内高压直喷技术，并在1997年4月开发了基于该技术的双燃料发动机。
1.2.2 国内研究现状
我国对柴油/天然气双燃料发动机的研究开始比较迟，跟西方国家的差距比较大。2002年，天津大学的姚春德等[5]研究了点火、燃烧压力、火焰传播和柴油天然气发动机压力升高率。研究结果表明，这种发动机的引燃需要让空气和天然气先在进气道内混合，与常规的化石燃料发动机比起来，柴油/天然气双燃料发动机的燃烧迅速、废气中的碳烟含量相对较低，缸内气压的上升的更快，最大缸内气压得到提升，滞燃期也更长。
2003年，天津大学的宋金瓯等[6]通过对新型燃烧模型的研究，发现柴油/天然气双燃料发动机的燃烧过程与传统发动机燃烧方式不同，它的燃烧分为两个不同的特性时期，在前一段时期，燃料的温度迅速上生，并快速扩散，热量的传播比较均匀，在后一段时期，燃料被压缩到压燃点后开始均匀的燃烧。
2005年，天津大学的宋金欧等[6]，分析认为甲烷会影响柴油的引燃，所以改进了壳燃烧模型，然后结合KIVA3，对柴油引燃天然气发动机的着火和燃烧过程进行了研究，并实验验证了仿真结果。结果表明，改进后的模型能很好的对柴油/天然气发动机进行仿真。经过仿真分析表明，天然气会让柴油的压燃被减缓，导致天然气着火时间变长，同时天然气与空气的混合导致比热容的变大也会延长天然气的着火时间。
姚春德等研究人员[5]，通过对柴油引燃天然气的研究发现，引燃柴油的喷射速度，喷油时间等性质会对引燃柴油的引燃的效果造成很大的改变。在发动机不会发生爆燃的情况下，如果负载较小，应当适当增加引燃柴油的量，促进天然气可以被柴油可靠的点火。
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