涡轮增压天然气发动机燃烧与排放控制的试验研究

【摘要】：页岩气开发热潮带来新一轮的能源革命,天然气发动机也不断受到人们的研究与关注。由于其自身燃料特性,天然气发动机也存在热效率偏低、NOx排放较高等问题。因此针对天然气发动机燃烧与排放性能的优化研究具有重要的现实意义。本文在一台四缸增压天然气发动机上对稀燃式天然气发动机燃烧与排放控制进行了试验研究。首先探究了天然气发动机的当量比对其燃烧与排放的影响,通过降低天然气发动机的当量比以优化天然气发动机的排放及经济性能;进而在稀薄燃烧的基础上采用了废气再循环技术(EGR)进一步降低天然气发动机的NOx排放,并详细研究了EGR主要组分(CO2、N2)对天然气发动机性能的影响;随后又采取进气歧管多点电控喷射氢气改善废气再循环天然气发动机燃烧与排放性能,同时结合氧化后处理优化天然气发动机排放性能。进而,形成了稀薄燃烧、废气再循环(EGR)、进气歧管多点电控喷射氢气和氧化后处理协同优化天然气发动机燃烧与排放性能的控制策略。对天然气发动机当量比的研究表明:采用稀薄燃烧模式,使天然气发动机缸内最大压力、最大燃烧温度、最大放热率降低,滞燃期及燃烧持续期变长,发动机的热效率有所提高且NOx排放大幅降低,但CO和HC排放升高。同时研究发现,天然气发动机的颗粒排放较低,颗粒物数浓度和背景空气的颗粒物数浓度在同一个数量级。针对稀薄燃烧控制NOx排放的潜力有限,本文配合废气再循环(EGR)优化天然气发动机的NOx排放,研究表明:少量EGR可以在保持热效率基本不变的同时降低NOX排放和CO排放,但HC排放有所增加、循环变动变大;加入大量EGR时,NOX排放大幅降低,但热效率降低、HC排放及循环变动大幅升高。进而研究了EGR中的主要组分(CO2和N2)对天然气发动机燃烧排放的影响规律,并与惰性稀释气体(Ar)的影响进行对比。研究发现,CO2对发动机燃烧与排放性能的影响最为明显,N2次之,Ar最弱。随着进气氧浓度的降低,CO2、N2及Ar都使NOX排放大幅降低、HC排放不断升高,而CO排放呈现先降低后升高的趋势。CO2和N2使发动机热效率显著降低,而Ar在降低NOX排放的同时能维持热效率基本不变,其热效率随着进气氧浓度的降低呈先轻微上升后缓慢下降的趋势。进一步采用进气歧管多点电控喷射氢气的策略改善EGR天然气发动机的燃烧稳定性和HC排放问题。研究表明:进气歧管氢气喷射可以改善废气再循环天然气发动机的燃烧特性,发动机的最大压力、最高燃烧温度、最大压力升高率、放热率最大值以及热效率升高,滞燃期及燃烧持续期缩短,循环变动减弱,HC排放降低,CO基本保持不变,但NOx排放略有升高。并通过氧化后处理装置控制CO排放和部分非甲烷HC排放。 【关键词】：天然气发动机 当量比 EGR 多点喷射氢气 氧化后处理
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK437
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 引言11-12
• 1.1.1 能源安全11-12
• 1.1.2 环境污染12
• 1.2 天然气发动机研究现状12-17
• 1.2.1 当量比对天然气发动机的影响13-14
• 1.2.2 废气再循环对天然气发动机的影响14-16
• 1.2.3 天然气掺氢配合EGR研究现状16-17
• 1.3 本文研究目的及主要内容17-19
• 第二章 发动机试验系统与测试系统19-27
• 2.1 试验台架系统19-24
• 2.1.1 试验设备20
• 2.1.2 发动机20-21
• 2.1.3 颗粒采集系统21-22
• 2.1.4 EGR系统22
• 2.1.5 氢气电控喷射系统22-23
• 2.1.6 天然气电控系统23-24
• 2.2 发动机性能监控系统24-25
• 2.3 试验方案25-27
• 2.3.1 试验所用燃料特性25-26
• 2.3.2 比气耗计算26-27
• 第三章 当量比对天然气发动机燃烧与排放性能的影响27-39
• 3.1 当量比对天然气发动机燃烧性能的影响27-33
• 3.1.1 当量比对缸内燃烧压力的影响28
• 3.1.2 当量比对放热率的影响28-29
• 3.1.3 当量比对着火延迟及燃烧持续期的影响29-30
• 3.1.4 当量比对燃烧温度的影响30-32
• 3.1.5 当量比对天然气发动机经济性的影响32-33
• 3.2 当量比对天然气发动机排放性能的影响33-36
• 3.2.1 当量比对排气温度的影响33
• 3.2.2 当量比对NO_X排放的影响33-34
• 3.2.3 当量比对HC排放的影响34-35
• 3.2.4 当量比对CO排放的影响35-36
• 3.3 天然气发动机的颗粒排放36-37
• 3.4 本章小结37-39
• 第四章 EGR对天然气发动机燃烧与排放性能的影响39-82
• 4.1 EGR对天然气发动机燃烧与排放性能的影响39-54
• 4.1.1 EGR对天然气发动机燃烧性能的影响40-46
• 4.1.2 EGR对天然气发动机燃烧稳定性的影响46-50
• 4.1.3 EGR对天然气排放性能的影响50-54
• 4.2 EGR组分对天然气发动机燃烧与排放的影响规律54-80
• 4.2.1 CO_2对天然气发动机燃烧与排放性能的影响54-63
• 4.2.2 N_2对天然气发动机燃烧与排放性能的影响63-72
• 4.2.3 CO_2、N_2和Ar的对天然气发动机性能的影响的对比72-80
• 4.3 本章小结80-82
• 第五章 进气歧管多点电控喷射氢气改善废气再循环天然气发动机性能82-98
• 5.1 进气歧管喷射氢气对EGR天然气发动机燃烧性能的影响82-91
• 5.1.1 燃烧与经济性分析82-87
• 5.1.2 燃烧稳定性87-91
• 5.2 进气歧管喷射氢气对EGR天然气发动机排放性能的影响91-93
• 5.3 氧化后处理对排放特性的影响93-95
• 5.4 协同优化天然气发动机燃烧与排放性能的控制策略95-97
• 5.5 本章小结97-98
• 第六章 总结与展望98-100
• 6.1 本文总结98-99
• 6.2 展望99-100
• 参考文献100-104
• 致谢104-105
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文105-107

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