满足国Ⅳ排放标准压缩天然气发动机燃烧过程的研究

【摘要】： 环境污染和能源短缺的压力加快了代用燃料汽车发动机的开发和应用进程。本文针对用于城市道路交通的单一燃料稀燃天然气发动机的燃烧过程进行了深入研究,通过对适应火花点火天然气发动机燃烧过程的燃烧系统设计、燃烧系统的试验研究、工作过程的优化研究、发动机控制策略的研究,开发出了满足国Ⅳ排放标准的火花点火天然气发动机的燃烧系统。 本文深入研究了满足国Ⅳ排放标准稀燃天然气发动机的关键技术,利用数值模拟、设计计算和稳流试验等方法,对天然气发动机的燃烧室、进气道和凸轮轴进行了全新设计。利用Fire软件对设计的六种不同结构形状和尺寸的燃烧室进行了数值模拟研究,综合考察了不同结构参数对湍动能、燃烧放热率、燃烧压力、缸内燃烧温度、NOx排放、累计放热量的影响,得出“相同形状不同尺寸的燃烧室对燃烧过程的影响远小于不同形状燃烧室对燃烧过程的影响”的结论,初步优化出适应天然气发动机燃烧过程的燃烧室结构;利用经典的凸轮型线设计理论和现代计算手段以MATLAB软件为平台,建立了一套完整的凸轮型线设计程序,并利用该程序对凸轮型线进行了设计;在气道稳流试验台上进行了螺旋进气道结构参数对进气道流通特性影响的试验研究,探索出一套改变螺旋进气道流通特性行之有效的方法,并对这些方法的应用范围和应用条件进行了深入研究和分析。作者就组成天然气发动机燃烧系统的各部件结构对发动机综合性能的影响进行了较深入的试验研究,探索出了一套天然气发动机燃烧系统结构参数优化匹配的通用方法和程序。 本文对满足国Ⅳ排放标准火花点火天然气发动机控制策略进行了深入研究。从整机控制策略出发,通过对开环和闭环控制模式相关控制目标和控制过程的研究,提出了对发动机全工况范围实行开环和闭环控制相结合的控制策略。为达到对空燃比的精确控制,研究设计了天然气发动机进气、燃气供给、点火的控制策略。 作者首次提出了适用于稀薄燃烧增压中冷天然气发动机运转工况范围、稀燃限界、各缸不均匀性的具体概念;以试验的方法研究了不同的运转参数对于天然气发动机的运转工况范围、稀燃极限的影响;对满足动力性、经济性和排放指标的综合稀燃界限进行了深入的研究;创造性地提出了解决各缸不均匀性的方法;就发动机运行参数(过量空气系数和点火提前角)、内部废气再循环(EGR)、压缩比对稀燃天然气发动机工作过程的影响进行了全面的试验研究。从多层次、多角度深入地进行了稀燃天然气发动机的优化研究。 【关键词】：天然气发动机 火花点火 燃烧系统 稀薄燃烧 试验研究 控制策略
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：U464.174
【目录】：

• 中文摘要3-4
• Abstract4-10
• 第一章 绪论10-40
• 1.1 课题研究背景10-13
• 1.2 新能源汽车13-15
• 1.3 国内外压缩天然气（CNG）汽车的应用现状15-18
• 1.4 压缩天然气（CNG）发动机国内外研究进展18-38
• 1.4.1 压缩天然气发动机（CNG）的分类18-19
• 1.4.2 天然气发动机燃料的应用19-32
• 1.4.2.1 两用燃料天然气发动机19-20
• 1.4.2.2 双燃料CNG发动机20-25
• 1.4.2.3 单燃料CNG发动机25-32
• 1.4.2.3.1 点燃式单燃料天然气发动机25-29
• 1.4.2.3.2 压燃式单燃料天然气发动机29-30
• 1.4.2.3.3 单燃料天然气发动机设计概述30-32
• 1.4.3 燃料供给和控制32-37
• 1.4.3.1 机械混合式燃料供给系统32-33
• 1.4.3.2 简单控制燃料供给系统33-35
• 1.4.3.3 电控喷射燃料供给系统35-37
• 1.4.4 稀燃CNG发动机和理论空燃比CNG发动机37-38
• 1.5 本课题的提出、研究意义及主要工作内容38-40
• 第二章 稀燃天然气发动机燃烧系统设计40-67
• 2.1 设计条件40-42
• 2.1.1 原型机参数及说明40-41
• 2.1.2 所开发天然气发动机的目标要求41
• 2.1.3 稀薄燃烧41-42
• 2.2 稀燃天然气发动机燃烧室设计42-47
• 2.2.1 缸内气体运动42-44
• 2.2.2 燃烧室结构设计44-47
• 2.3 稀燃天然气发动机配气机构设计47-56
• 2.3.1 配气机构的设计原则48
• 2.3.2 配气相位的设计48-49
• 2.3.2.1 原机配气相位48
• 2.3.2.2 天然气发动机配气相位的设计48-49
• 2.3.3 凸轮型线的设计49-56
• 2.3.3.1 凸轮设计准则及原机凸轮49-51
• 2.3.3.2 高次方凸轮型线设计理论51-53
• 2.3.3.3 天然气发动机凸轮型线的设计53-56
• 2.4 稀燃天然气发动机进气道流通特性的试验研究及设计56-65
• 2.4.1 发动机进气道的流通特性的试验研究57-64
• 2.4.1.1 发动机进气道流通特性评价参数57-58
• 2.4.1.2 进气道调整结构参数的确定58-59
• 2.4.1.3 试验装置及试验方案59-60
• 2.4.1.4 试验结果和分析60-63
• 2.4.1.5 结论63-64
• 2.4.2 天然气发动机进气道设计64-65
• 2.4.2.1 对原气道的考核64
• 2.4.2.2 进气道的设计64-65
• 2.5 本章小结65-67
• 第三章 稀燃天然气发动机燃烧系统的试验研究67-81
• 3.1 试验系统67-69
• 3.1.1 发动机主要技术规格67
• 3.1.2 试验装置67-68
• 3.1.3 测试用主要设备、仪器68-69
• 3.2 试验目的、方法、方案和内容69-70
• 3.3 进气道流通特性对发动机综合性能的影响研究70-73
• 3.3.1 负荷特性条件下涡流比对天然气发动机性能影响的研究70-72
• 3.3.2 外特性条件下涡流比对天然气发动机性能影响的研究72-73
• 3.4 燃烧室结构对天然气发动机综合性能的影响研究73-75
• 3.4.1 负荷特性下燃烧室结构对天然气发动机综合性能的影响研究73-75
• 3.4.2 外特性下燃烧室结构对天然气发动机综合性能的影响研究75
• 3.5 配气相位对天然气发动机综合性能的影响研究75-79
• 3.5.1 负荷特性下配气相位对天然气发动机综合性能的影响76-78
• 3.5.2 外特性下配气相位对天然气发动机综合性能的影响78-79
• 3.6 本章小结79-81
• 第四章 稀燃天然气发动机控制策略的研究81-104
• 4.1 排放法规的分级、检测及达标措施81-87
• 4.1.1 国家标准对天然气发动机排放的限值分级81-82
• 4.1.2 天然气发动机排放限值的检测82-84
• 4.1.3 满足排放标准限值的达标措施84-86
• 4.1.4 目前天然气发动机技术所达到的降低排放水平86-87
• 4.2 火花点火发动机控制系统概述87-92
• 4.2.1 控制系统的组成及分类87-89
• 4.2.2 主要控制功能89
• 4.2.3 空气流量的计算与控制89-90
• 4.2.4 燃料流量的计算与控制90-91
• 4.2.5 点火时刻的控制91-92
• 4.3 稀燃天然气发动机达标国Ⅳ的控制系统及控制策略的研究与设计92-102
• 4.3.1 稀燃天然气发动机控制系统92-93
• 4.3.2 稀燃天然气发动机开、闭环控制策略研究与设计93-94
• 4.3.3 稀燃天然气发动机空气流量控制策略研究与设计94-99
• 4.3.3.1 电子节气门和电子操作踏板的集成控制策略95-97
• 4.3.3.2 增压器的空气流量控制策略97-99
• 4.3.3.2.1 废气放气阀的控制97-99
• 4.3.3.2.2 增压器滞后补偿的控制99
• 4.3.4 稀燃天然气发动机燃气供给控制策略研究与设计99-102
• 4.3.5 稀燃天然气发动机点火控制策略的研究与设计102
• 4.4 本章小结102-104
• 第五章 稀燃天然气发动机工作过程的优化研究104-127
• 5.1 试验系统104-107
• 5.1.1 试验发动机104-105
• 5.1.2 试验系统构成105-106
• 5.1.3 测试用主要设备、仪器106
• 5.1.4 燃料品质106-107
• 5.2 循环变动107-108
• 5.3 各缸不均匀性的考核和修正108-111
• 5.4 稀燃天然气发动机工作过程和性能的试验研究111-125
• 5.4.1 运行参数对稀燃天然气发动机工作过程影响的试验研究112-117
• 5.4.1.1 过量空气系数对发动机工作过程的影响112-115
• 5.4.1.2 点火提前角对发动机工作过程的影响115-117
• 5.4.2 气门重叠角对NOx排放的影响117-119
• 5.4.3 压缩比对稀燃天然气发动机工作过程的影响119-122
• 5.4.4 运行参数对稀燃天然气发动机性能影响和稀燃极限的试验研究122-125
• 5.5 本章小结125-127
• 第六章 全文总结与展望127-129
• 6.1 全文总结127-128
• 6.2 工作展望128-129
• 创新点129-130
• 参考文献130-139
• 发表论文和参加科研情况说明139-140
• 致谢140

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