电控喷射稀燃天然气发动机的关键技术研究

【摘要】：本文对电控喷射稀燃天然气发动机的关键技术进行了深入研究。 在CA6DE1-21柴油机基础上,进行了CA6SE1-21N天然气发动机的结构设计。 试验研究了天然气发动机稀薄燃烧规律,基于稀燃规律研究结果,提出了分区控制空燃比及采用氧化催化器实现开发目标的稀薄燃烧控制总体方案。并从保证燃烧稳定性、有效控制排放、保证发动机可靠性几个方面给出了确定稀燃天然气发动机各工况过量空气系数等关键参数的阈值。 采用CFD模拟方法研究了发动机工作过程中缸内速度场、湍流动能、浓度场和温度场的分布规律。发现缸内混合气浓度场呈现为自上而下由稀到浓的逆分层分布,这种逆分层浓度场不利于稀燃天然气发动机稳定燃烧。提出了在采用原基础柴油机的气缸盖情况下,通过合理推迟天然气喷气时刻,实现气缸内混合气自上而下由浓到稀的弱分层分布的观点,使火花塞处因混合气较浓实现可靠点火和稳定燃烧。并通过试验初步验证了该观点的正确性。同时,模拟研究了燃烧室形状对缸内流动和燃烧的影响,结果表明:2号缩口燃烧室使燃烧室内湍流加强,湍流动能提高,使燃烧速度加快,燃烧完善。 研制的稀燃天然气发动机多点顺序喷射空燃比闭环控制电控系统,可以实现空气进气量、天然气喷射量和点火正时的精确控制和调整。采用该电控系统标定的CA6SE1-21N天然气发动机的动力性和经济性达到了开发目标,排放满足欧Ⅲ(ESC)排放法规要求。并且该发动机已经装用在公交车和卡车上。 揭示了天然气发动机低速小负荷进气冲程时缸内形成负压,造成低速小负荷机油消耗量过高的机理。通过改进气环结构,增加油环撑簧弹力,减小油环刮油刃宽度,CA6SE1-21N发动机的8h怠速机油消耗量降低33.1%。发动机经过500h可靠性试验后,活塞、活塞环和气缸套磨损情况正常,没有出现机油消耗量过高的问题。 【关键词】：天然气发动机 稀薄燃烧 结构设计 CFD模拟 混合气形成 电控系统 排放 机油消耗量
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TK431
【目录】：

• 第一章 绪论10-30
• 1.1 引言10-22
• 1.1.1 车用能源危机及可替代能源11-15
• 1.1.2 汽车排放问题及排放法规15-18
• 1.1.3 天然气发动机的发展状况18-22
• 1.2 天然气发动机稀薄燃烧技术的研究进展22-28
• 1.2.1 采用合理的燃烧室,增大压缩比,加快火焰传播速度22-24
• 1.2.2 分层燃烧系统24-26
• 1.2.3 电子控制技术26-28
• 1.3 天然气发动机性能改善方法及其发展28-29
• 1.3.1 采用合理的配气相位28
• 1.3.2 活塞环改进28-29
• 1.4 本文的研究内容29-30
• 第二章 稀燃天然气发动机结构设计30-46
• 2.1 天然气发动机开发目标30-31
• 2.2 天然气理化性质31-32
• 2.3 天然气发动机结构设计32-45
• 2.3.1 压缩比和燃烧室设计32-36
• 2.3.2 进气系统设计36
• 2.3.3 活塞环改进设计36
• 2.3.4 增压器匹配设计36-41
• 2.3.5 配气相位和凸轮型线的设计41-44
• 2.3.6 点火系统设计44
• 2.3.7 天然气供给系统44-45
• 2.4 本章小结45-46
• 第三章 天然气发动机稀薄燃烧规律研究46-63
• 3.1 试验设备及试验工况46-47
• 3.1.1 试验设备46-47
• 3.1.2 试验工况点47
• 3.2 过量空气系数对燃烧和排放的影响47-58
• 3.2.1 过量空气系数对燃烧的影响47-51
• 3.2.2 过量空气系数对燃烧循环变动的影响51-54
• 3.2.3 过量空气系数对排放的影响54-56
• 3.2.4 过量空气系数对发动机经济性的影响56-57
• 3.2.5 过量空气系数的综合确定方法57-58
• 3.3 点火提前角对燃烧和排放的影响58-61
• 3.4 本章小结61-63
• 第四章 混合气形成和燃烧的数值模拟63-92
• 4.1 物理模型64-65
• 4.1.1 湍流模型64
• 4.1.2 燃烧和点火模型64-65
• 4.2 计算网格的划分及边界条件的确定65-67
• 4.2.1 计算网格的划分65-67
• 4.2.2 边界条件的确定67
• 4.3 模型的验证67-68
• 4.4 计算结果及分析68-90
• 4.4.1 采用2 号燃烧室的缸内混合气形成及燃烧特点68-78
• 4.4.2 天然气喷气时刻对缸内浓度场的影响78-84
• 4.4.3 不同燃烧室对混合气形成及燃烧的影响84-90
• 4.5 本章小结90-92
• 第五章 稀燃天然气发动机电控系统开发92-117
• 5.1 稀燃方案控制策略92
• 5.2 电控系统功能92-93
• 5.3 关键子系统简介93-98
• 5.3.1 电控单元(ECU)93-94
• 5.3.2 传感器94-96
• 5.3.3 驱动电路96-98
• 5.4 空燃比控制策略研究98-102
• 5.4.1 动态空燃比的控制策略99
• 5.4.2 开环控制时喷气脉宽的确定99-101
• 5.4.3 闭环控制101-102
• 5.5 发动机电控系统标定102-112
• 5.5.1 发动机的5 个基本状态及状态判别103-104
• 5.5.2 电控系统试验标定流程104-105
• 5.5.3 天然气发动机控制MAP 分析105-108
• 5.5.4 面向状态控制的基本标定108-112
• 5.6 发动机标定结果112-116
• 5.6.1 发动机的动力性和经济性112-113
• 5.6.2 发动机的排放性113-116
• 5.6.3 发动机的可靠性116
• 5.7 本章小结116-117
• 第六章 低速小负荷机油消耗量控制技术研究117-123
• 6.1 怠速机油消耗量测量117-118
• 6.1.1 问题提出117-118
• 6.1.2 怠速机油消耗量测量方法118
• 6.2 低速小负荷机油消耗量过高的原因分析118-119
• 6.3 试验结果119-122
• 6.3.1 怠速机油消耗量测量结果119-120
• 6.3.2 发动机拆机检查的结果120-122
• 6.3.3 发动机500h 可靠性试验结果122
• 6.4 本章小结122-123
• 第七章 全文总结与工作展望123-127
• 7.1 主要工作与结论123-126
• 7.2 今后工作展望126-127
• 参考文献127-134
• 攻博期间发表的学术论文134-135
• 图表索引135-139
• 致谢139-140
• 摘要140-143
• ABSTRACT143-146

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