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原文传递预混合天然气点燃式发动机稀燃及加氢条件下的循环变动研究

论文题名：	预混合天然气点燃式发动机稀燃及加氢条件下的循环变动研究
关键词：	汽车天然气发动机;稀燃特性;循环变动;层流火焰速度;数值模拟
摘要：	随着排放法规日趋严格，要求内燃机进一步提高燃油经济性和减少排放量。重型天然气点燃式发动机采用稀薄燃烧、低碳替代燃料有利于实现清洁燃烧。然而稀燃会导致缸内循环变动率增加，当缸内循环变动严重时，对于燃烧较快的单个或多个循环（可能连续循环，也可能是断断续续的循环）将导致爆震燃烧；对于燃烧较慢的单个或多个循环将导致后燃或者部分燃烧，甚至失火，导致碳氢排放量和油耗大幅度增加。这些燃烧较快和较慢的循环都会导致循环波动大，从而导致转速和输出转矩产生波动，发动机运转不稳、抖动、易熄火、动力下降和油耗偏高等现象，甚至影响整车的驾驶舒适性。如果能消除缸内的循环变动，燃油经济性可以再提升10-20%，并且降低发动机尾气排放量。　　本文研究工作主要分为实验部分和数值模拟部分。实验部分：详细的开展了不同转速，不同负荷，不同压缩比和不同氢能比的稳态实验。阐述了运行/设计参数和加氢对稀燃预混天然气点燃式发动机循环变动的影响规律，指出导致循环变动的原因及其对性能的影响。数值模拟部分：首先，详细的分析了层流火焰面结构，层流火焰速度的计算，层流火焰速度的测量方法，天然气反应机理和一维层流预混火焰数值模拟。全面分析了初始温度和初始压力、稀释气体、加氢及加氢耦合废气再循环对提纯液化天然气/空气层流火焰速度的影响。其次，全面分析了加氢稀燃天然气点燃式发动机采用高压废气再循环、低压废气再循环及其组合和内部废气再循环对燃烧、性能和排放特性的影响。最后，建立了稀燃预混天然气点燃式发动机循环变动三维数值模拟平台。采用连续循环方法和并行扰动方法数值模拟稀燃预混天然气点燃式发动机循环变动，阐明了缸内流场分布、湍动能分布，初始火核的形成、长大与发展和湍流火焰传播对稀燃预混天然气点燃式发动机循环变动的影响，指明了降低循环变动率的方向。　　论文主要结论如下：　　（1）提高转速，稀燃预混天然气点燃式发动机缸压分布趋向集中，缸内循环变动减少，后燃和部分燃烧循环减少；指示平均有效压力、峰值燃烧压力和燃烧持续期的循环变动系数减少。此外，燃烧始点与峰值燃烧压力存在强烈的线性相关性。在低负荷工况下，增大压缩比，缸压曲线分布趋向集中，指示平均有效压力循环变动系数减少，但是随着压缩比的幅度继续增加，对缸压分布影响减少；在大负荷时，压缩比的增加对缸压曲线分布影响较小，稀燃预混天然气点燃式发动机的指示平均有效压力循环变动系数减少的幅度越来越小。　　（2）随着氢能比的增加，缸压曲线分布趋向集中，循环变动率减少，指示平均有效压力和峰值燃烧压力循环变动系数大大减少。峰值燃烧压力对应的曲轴转角提前，最大压力升高率增加；燃烧初始时刻和50%燃烧位置提前，且50%燃烧位置循环变动减少，燃烧持续期的平均值减少；50%燃烧位置点与峰值燃烧压力存在强烈的线性相关性。　　（3）提高反应物初始温度，有利于提高液化天然气（LNG）的层流火焰速度。而提高初始压力，会减少液化天然气的层流火焰速度。此外，LNG1的层流火焰速度稍微大于LNG2的层流火焰速度，少量其他烷烃对液化天然气的层流火焰速度有影响，但是影响较小。LNG2/空气加氢能够提高层流火焰速度，拓展其稀薄燃烧极限，提高燃烧绝热燃烧温度。而LNG2/空气加氢耦合废气再循环控制策略，不仅可以降低加氢带来的过高氮氧化物排放，还可以弥补废气再循环（EGR）带来的层流火焰速度下降。且加氢对活性基O、H和OH影响大，影响其链式反应。　　（4）不管是高压EGR，还是低压EGR，亦或是高压和低压EGR的组合，点火延时期随着EGR比例的增加而延长，峰值燃烧压力随着EGR比例的增加而减少。其中在总EGR率为15%的情况下，结合10%的高压EGR率和5%低压EGR率，可以达到最高指示热效率（34.9%）。内部EGR百分比随着气门重叠角的减少而减少；50%燃烧位置随着气门重叠角减少而提前；峰值燃烧压力和峰值放热率随着气门重叠角的减少而增加；但是容积效率和指示热效率随着气门重叠角减少先增加后减少。　　（5）连续循环方法数值模拟循环变动耗时长，而并行扰动方法大大缩短数值模拟时间。在初始火核转变为湍流火焰发展的过程中，缸内的湍流与火焰锋面相互作用剧烈，火焰锋面会被缸内湍流会进一步拉伸，扭转，褶皱火焰锋面。缸内无序的湍流运动大大增加了火焰锋面的变形，火焰锋面进一步卷吸未燃气体，形成岛式或者块状燃烧区域，从而极大的增加火焰燃烧面积，加快了燃烧速度。而高压循环缸内湍流火焰传播速度明显大于低压循环缸内的湍流火焰传播速度。　　本文的主要目的是通过实验和数值模拟研究稀燃天然气发动机循环变动产生的原因、作用机制和变化的规律，为进一步降低稀燃天然气火花塞点火发动机循环变动，提高其运行稳定性和平顺性，减少循环变动引起的噪声与振动，降低输出转矩与功率的波动提供指导。稀燃天然气火花塞点火发动机循环变动的减少，有利于适当的提前点火提前角和提高压缩比，进一步提高有效热效率和燃油经济性，拓展天然气发动机稀燃极限，减少部分燃烧或者后燃循环，以及进一步降低碳氢排放量，从而实现进一步优化稀燃预混天然气点燃式发动机的性能，具有重大的工程应用前景。
作者：	段雄波
专业：	机械工程
导师：	刘敬平
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2019
正文语种：	中文