（动力机械及工程专业论文）柴油天然气双燃料发动机性能模拟研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o rt h e d e g r e eo fm e n g r e s e a r c ho np e r f o r m a n c es i m u l a t i o no f d i e s e l l n g d u a lf u e le n g i n e c a n d i d a t e ：y i nj i a s u p e r v is o r ：p r o f m ax i u z h e n a c a d e m icd e g r e ea p p lie df o r ：m a s t e ro f e n g i n e e r i n g s p e cia lit y ：p o w e rm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g d a t e o fs u b m i s s i o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a ti o n ：m a r c h ，2 0 10 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 脚8删2m 0 m 90舢8 m肌y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：概 日期：跚p 年多月彦日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 1 本论文( 留在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：歹硅导师( 签字) ：卫7 彬 。 。、 日期：d b 矽年弓月7 乡日0 2 o 年乡月，弓日 哈尔滨t 程大学硕十学 7 ：论文 摘要 随着能源危机的日益凸显，环境污染问题的加剧，寻找替代能源已成为 世界经济发展的关键。而当前广泛使用的内燃机替代燃料天然气具有能量密 度较高，排放低，便于贮存和运输等优点，被认为是最有发展前途的发动机 清洁燃料。与柴油或汽油作燃料时相比，单一的使用天然气作为燃料时发动 机动力性能最大功率下降较多。采用天然气柴油混合燃料既较好地解决了动 力性下降较多的问题，又能实现减少污染和保护环境的目的。 本文针对传统柴油机改造成双燃料发动机时，需要突破关键技术问题开 展了研究，主要工作如下： 1 ) 为了解双燃料发动机的燃烧特点，本文采用g e o m a g i es t u d i o 逆向工 程应用软件将所扫描的燃烧室点云数据进行曲面重建，建立了燃烧室的三维 数字模型。 2 ) 以2 1 3 5 发动机为研究对象，运用f i r e 软件，根据发动机的基本结 构参数，边界条件，建立了燃烧室的模型，并针对所研究的天然气发动机的 燃烧、排放特点，依据所采用模拟计算软件提供的计算模型，为建立整机工 作过程模拟计算模型和缸内燃烧三维数值计算模型，选择了相应的子模型。 分别采用k 湍流模型、以w a v e 离散模型为基础的液滴破碎分裂模型、以 s h e l l 公式为基础的燃烧模型、扩展的z e l d o v i c hn o x 生成模型等，建立了缸 内燃烧三维数值计算模型。 3 ) 通过模拟分析双燃料发动机的压缩、燃烧、膨胀、排放过程，对影响 双燃料发动机工作性能的关键参数进行了优化分析，得出了引燃柴油量、天 然气当量比、喷孔直径及喷油锥角对燃烧和排放的影响规律，为双燃料发动 机的改造设计奠定了良好基础。 关键词：发动机；双燃料；天然气：逆向；数值模拟 、 哈尔滨1 = 稃大学硕七学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ee n e r g yc r i s i sh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n ta n da g g r a v a t et h e p r o b l e mo fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n s e a r c hf o ra l t e r n a t i v ee n e r g ys o u r c e sb e c o m e t h ek e yt ow o r l de c o n o m i cd e v e l o p m e n t a n dt h ec u r r e n tw i d e s p r e a du s eo f a l t e r n a t i v ef u e l so fn a t u r a lg a si n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ew i t hah i 曲e n e r g y d e n s i t y , e m i s s i o n sl o w , e a s ys t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o n ，e t c ，i sc o n s i d e r e dt h e m o s tp r o m i s i n g c l e a n f u e lo ft h ee n g i n e d i e s e l o rg a s o l i n e 鹪f u e l ，w h e n c o m p a r e dt os i n g l e u s eg a sa saf u e lf o rm a x i m u mp o w e rw h e nt h ee n g i n ed o w n m o r ed y n a m i cp e r f o r m a n c e t h eu s eo fl n g d i e s e lf u e lb l e n d sn o to n l ys o l v e d t h ei s s u eo fp o w e ri sr e d u c e dm o r e ，a n dt oa c h i e v e p o l l u t i o nr e d u c t i o na n d p r o t e c t i o no f t h ee n v i r o n m e n t i nt h i sp a p e r , t r a n s f o r m a t i o no ft h et r a d i t i o n a ld i e s e ld u a lf u e le n g i n e ，t o b r e a kt h r o u g hk e yt e c h n i c a li s s u e so fr e s e a r c h ，t h ep r i n c i p a lt a s k sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd u a l - f u e le n g i n e ， t h i sp a p e ru s e sg e o m a g i cs t u d i or e v e r s e - e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ss o f t w a r ew i l lb e s c a n n e dp o i n tc l o u dd a t af r o mt h ec o m b u s t i o nc h a m b e rs u r f a c er e c o n s t r u c t i o n , t h e e s t a b l i s h m e n to ft h r e e d i m e n s i o n a ld i g i t a lm o d e lo ft h ec o m b u s t i o nc h a m b e r w i t ht h ea u s t r i a na v l sf i r es o f t w a r e ，a c c o r d i n gt ot h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h e e n g i n ep a r a m e t e r s ，b o u n d a r yc o n d i t i o n s ， e s t a b l i s ht h e c o r r e s p o n d i n g c o m p u t a t i o n a lm o d e lo ft h ee n g i n ec y l i n d e rc o m b u s t i o ns i m u l a t i o na n dr e s e a r c h a n da n a l y s i s r e s e a r c hm e t h o d sh a v en o tt e s tc o n d i t i o n st os i m u l a t ed i f f i c u l tt o m e a s b r ei n - c y l i n d e rf l o wf i e l dd e t a i l st h ea d v a n t a g e s 2 ) i n213 5t h ee n g i n ea st h er e s e a r c ho b j e c t ，u s ef i r es o f t w a r e ，a c c o r d i n gt o t h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h e e n g i n ep a r a m e t e r s ，b o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t h e e s t a b l i s h m e n to fac o m b u s t i o nc h a m b e rm o d e l s t u d i e df o rt h ec o m b u s t i o no f n a t u r a lg a se n g i n e s ，e m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i e s ，b a s e do ns i m u l a t i o ns o f t w a r eu s e di n t h ec a l c u l a t i o nm o d e lo ft h e w o r k i n gp r o c e s s f o rt h ee s t a b l i s h m e n to f m a c h i n e c y l i n d e rc o m b u s t i o ns i m u l a t i o nm o d e la n dt h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a l 哈尔滨 ：程大学硕十学位论文 宣i i i i ；i i h i ；i 暑；i i 宣i i 罩i i i i 暑暑宣葺；i i 葺皇i i i 宣置宣i i i i i 宣葺i i 昌i m o d e l s e l e c tt h ec o r r e s p o n d i n gs u b m o d e l r e s p e c t i v e l yk - t u r b u l e n c em o d e lt o t h ed i s c r e t em o d e lb a s e do i lw a v e d r o p l e tb r e a k u pm o d e lb r o k e ni no r d e rt o s h e l lf o r m u l a - b a s e dc o m b u s t i o nm o d e l ，t h ee x t e n d e dz e l d o v i c hn o xg e n e r a t i o n m o d e l s ，e s t a b l i s h e dat h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a lm o d e lo fc o m b u s t i o nc y l i n d e r 3 ) t h r o u g hs i m u l a t i o na n a l y s i so fd u a l f u e le n g i n ec o m p r e s s i o n ，b u r n i n g , s w e l l i n g ，d i s c h a r g ep r o c e s s ，a f f e c t i n gt h ew o r kp e r f o r m a n c eo fd u a lf u e le n g i n e h a sb e e no p t i m i z e dk e yp a r a m e t e r sa n a l y z e dw i t ht h ei g n i t i o nl i g h td i e s e l o i l ， n a t u r a lg a se q u i v a l e n c er a t i o ，n o z z l ed i a m e t e ra n dj e to i lc o m b u s t i o na n d e m i s s i o nc o n ea n g l eo ft h ei m p a c to ft h el a wo ft h et r a n s f o r m a t i o no fad u a lf u e l e n g i n eh a sl a i dag o o df o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g n k e yw o r d s ：e n g i n e ；d u a l - f u e l ；l n g ：r e v e r s e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 哈尔滨= r 程火学硕十学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景和意义”1 1 2 天然气发动机的分类”2 1 3 天然气与天然气发动机“4 1 3 1 天然气作为代用燃料的优势4 1 3 2 天然气发动机发展前景6 1 4 国内外双燃料发动机的研究现状一8 1 5 本论文主要工作1 2 第2 章基于逆向工程技术的燃烧室模型建立1 3 2 1 逆向工程的基本工作流程1 3 2 2 曲面重建的基本理论1 4 2 2 1 拟合的概念”1 4 2 - 2 2 曲线和曲面的参数表达一”1 5 2 3 曲面造型16 2 3 1g e o m a g i cs t u d i o 逆向工程软件1 6 2 3 2 曲面造型的重建1 7 2 3 2 1 点处理1 7 2 3 2 1 多边形”2 0 2 3 2 1 形状阶段“2 2 2 4 本章小结2 3 第3 章三维数值模拟计算模型“2 4 3 1 发动机参数2 4 3 2 计算网格的划分2 4 3 3 计算边界条件和初始条件的设定2 6 3 3 1 初始条件“2 6 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 3 3 2 燃油喷射参数2 7 3 4 计算模型_ _ 2 8 3 4 1 湍流流动模型”2 8 3 。4 1 1 湍流流动的基本控制方程一2 8 3 4 1 2k - 方程2 9 3 4 2 喷雾模型3 0 3 4 2 1 破碎模型”3 0 3 4 2 2 碰壁模型”3 2 3 4 3 燃烧模型：3 3 3 4 3 1s h e l l 自燃模型3 3 3 4 3 2 湍流燃烧模型”3 3 3 4 4 排放模型3 5 3 4 4 1n o x 排放模型3 5 3 4 4 2 碳烟生成模型3 6 3 5 本章小结3 7 第4 章双燃料发动机燃烧过程模拟计算及分析3 8 4 1 引燃柴油量3 8 4 2 天然气当量比对燃烧的影响3 9 4 2 1 天然气当量比对发动机性能的影响3 9 4 2 1 1 天然气当量比对缸内压力、温度和放热率的影响”3 9 4 2 1 2 天然气当量比对排放的影响4 l 4 2 2 天然气当量比对相关物理场的影响4 1 4 2 2 1 浓度场分布的影响“4 1 4 2 2 2 温度场分布的影响”4 3 4 3 喷孔直径对燃烧的影响4 4 4 3 1 喷孔直径对发动机性能的影响”4 5 4 3 1 1 喷孔直径对缸内压力、温度和放热率的影响“4 5 4 3 1 2 喷孔直径对排放的影响”4 6 4 3 2 喷孔直径对缸内相关物理场的影响4 7 哈尔滨j f 释人学硕士学位论文 4 3 2 1 喷雾场分布的影响”4 7 4 3 2 2 速度场分布的影响”4 8 4 3 2 3 温度场分布的影响”5 1 4 4 喷油锥角对燃烧的影响5 2 4 4 1 喷油锥角对发动机性能的影响5 3 4 4 1 1 喷油锥角对缸内压力、温度和放热率的影响”5 3 4 4 1 2 喷油锥角对排放的影响“5 4 4 4 2 喷油锥角对缸内相关物理场的影响5 5 4 4 2 1 喷雾场分布的影响j 5 5 4 4 2 2 速度场分布的影响一5 6 4 4 2 3 温度场分布的影响5 9 4 5 本章小结6 0 结论6 l 参考文献6 3 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 8 致 谢6 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 从世界上第一台内燃机问世至今，内燃机的发展已有1 0 0 多年的历史。 其主要的能源基本上采用石油制品汽油和柴油，经过多年的大规模的开 采，地球上石油存量已经不多，与此同时发动机运行时所排放的大量污染物 日积月累使环境与生态不断恶化。能源危机与环境污染成为人类关注的两大 问题【。 随着世界经济的发展、人口的增加和人民生活水平的不断提高，人类对 能源的需求也日趋强劲。但作为传统能源的石油资源日渐匮乏，寻找替代能 源成为世界经济发展的关键。2 0 世纪6 0 7 0 年代，人们发现，世界石油资源 的储藏量、勘探量和开采量，并不比人们原先预测的资源量乐观。从人类对 石油资源的需求看，石油资源相对匮乏已经露头，大约经4 0 7 0 年的消费， 石油资源将会出现短缺。特别是从2 0 世纪6 0 年代以来，全世界经历了3 次 重大的能源危机，这就使世界上所有的国家，特别是经济发达的西方国家， 认真思考本国的能源安全问题，人们更加注重寻求新能源及新燃料，2 0 世纪 7 0 年代中期，在解决和改善内燃机的燃油方面，展开了大量的探索性工作。 目前，国内外研究和利用较多的发动机汽、柴油代用燃料主要有甲醇、乙醇、 液化石油气( l p g ) 、压缩天然气( c n g ) 和氢气。同时，随着汽车及其它内燃机 等交通工具的迅速发展，造成对大气污染日趋严重，也促使人们加大寻找清 洁替代能源的力度。由于石油能源紧缺，各国竞相寻找与研究合适的石油替 代燃料【z j 。 目前，双燃料发动机在车用上已经趋于成熟，但是在大缸径的船用柴油 机上的研究还很少，尤其在海上运输天然气时，需要带大量的柴油，这样减 少了天然气的运输量。所以，研究大缸径的双燃料发动机，可以在不降低功 哈尔滨t 稗大学硕士学位论文 率的同时，还能减少排放，并且能更多运输天然气。本课题主要是针对大缸 径柴油机进行模拟分析，为以后能将双燃料发动机运用在运输天然气船上进 行前期的研究。 1 2 天然气发动机的分类 以可燃气体为燃料的内燃机统称为气体燃料发动机。天然气、石油气、 煤气、甲烷、氢气、沼气和生物制气等多种气体均可作为气体燃料发动机的 燃料【3 】o 使用气体燃料除了能替代石油燃料缓解能源危机，降低石油燃料对环境 造成的污染外还具有以下特点： 由于气体燃料的使用，使得气缸内积碳减少，减小发动机磨损，从而延 长了发动机的寿命：与使用液体燃料不同，不需要精密的喷油设备或雾化装 置；能与空气很好的混合，各缸间分配较均匀，并能进行较充分的燃烧，有 利于组织稀混合气的燃烧；形成混合气时，气体燃料占有一定的体积，减小 了进入气缸的新鲜空气量，对发动机的动力性有不利的影响；由于气体燃料 的成分、气量及压力不稳定，需对混合气的调节控制系统进行精心的设计。 天然气发动机按照使用燃料的特点可以分为单一气体燃料发动机和两用 燃料发动机。 1 ) 单一气体发动机是专门针对一种气体燃料的特性而设计制造的专用 发动机，可以最大限度的发挥气体燃料的优势，多用于气源供应充足的固定 场所，如油田电站，气源供应稳定的城市公交车辆，中大型生物制气发电站 在盘 守o 2 ) 两用燃料发动机同时兼顾液体燃料与气体燃料的特点，即可单独使 用液体燃料也可单独使用气体燃料。两用燃料发动机可以方便的由现有的火 花点火汽油发动机改造而实现，例如汽油l p g 或汽油c n g 等，这对于气体 燃料供气系统未形成网络的地区使用两用燃料发动机尤为重要。 3 ) 双燃料发动机可以同时使用气体燃料与液体燃料，例如柴油c n g ， 2 哈尔滨一i ：程大学硕十学位论文 柴油l p g 和柴油生物制气等。这种发动机以少量的柴油引燃进入气缸的气体 燃料。 按照其混合物的着火方式可分为点燃式和压燃式。 1 ) 点燃式 单一气体燃料发动机和两用燃料发动机，由点火系统的火花塞点燃。在 将柴油机改装为单一气体燃料发动机时，需要增加点火系统，并同时降低压 缩比，避免气体燃烧时产生爆燃现象。 2 ) 压燃式 可燃气与空气进入气缸后在压缩阶段均匀混合，混合气依靠喷入气缸的 少量柴油自燃放出的热量引燃。双燃料发动机根据工况按比例调节引燃油量 和进气量，也可单独使用柴油。 与点燃式发动机相比，压燃式双燃料发动机具有以下优点： 第一，保持了柴油机的高压缩比，热效率高，燃料经济性好； 第二，引燃柴油所释放的能量大大高于火花点火的能量，有利于保证气 体燃料着火稳定，避免失火，双燃料发动机的循环变动也较点燃式发动机小； 第三，引燃柴油可形成多个点火源，加快气体燃料的火焰传播速度，提 高动力性，能够在较宽的空燃比范围内工作，可实现较稀薄的燃烧； 第四，柴油机结构的改动小，各部件与原机型之间具有良好的互换性， 从而降低了制造和配套成本，使用和维修比较方便； 第五，可双燃料运行，也可在气体燃料成本较高或短缺时纯柴油工作【4 】o 按天然气发动机的供气方式可分为缸外供气和缸内供气。 ( 1 ) 对于缸外供气式发动机：天然气在进气管或进气阀口与空气混合， 在进气行程进入气缸，在火花点火或喷射引燃油之前，气缸内基本上形成比 较均匀的或浓或稀的天然气与空气的可燃混合气。火花点火或引燃油料着火 形成稳定的火核之后，混合气以火核为中心，以火焰传播的形式进行燃烧。 因而，缸外供气式天然气发动机的性能特点类似于常规汽油，属于均质预混 合式燃烧。 哈尔滨工稃人学硕十学位论文 由于天然气缸外供给，在火花点火或引燃油喷射之前形成均质混合气， 燃烧主要依靠火焰传播进行，因而混合气比较浓，降低了燃料的经济性，还 导致了天然气发动机较大的容积效率损失，降低了输出功率，而为抑制爆燃 采用较低的压缩比，使发动机全工况热效率降低。因此，缸外混合发动机还 有许多技术问题，需要进一步地开发研究。 ( 2 ) 缸内直接喷射天然气发动机：采用缸内直喷技术的天然气发动机燃料 供给方式分为低压喷射和高压喷射两种。前者是在进气阀关闭后，用比较低 的压力将天然气喷入缸内，在着火之前形成均质混合气，并采用电火花点火 或喷入少量引燃油使混合气燃烧。低压缸内喷射天然气发动机仍然属于均质 预混合燃烧型，优点是避免了容积效率损失。 天然气高压缸内直喷技术是在压缩上止点前用高压方式喷入天然气，由 于天然气的自燃温度很高，混合气仍采用高温电热塞助燃或喷射少量柴油引 燃。高压缸内直喷技术实现非均质混合扩散燃烧，因而能够很好地解决低压 缸内直喷和缸外供给天然气发动机存在动力性差，热效率不高及中小负荷性 能不良等问题。并且，用天然气高压缸内直喷技术，发动机不需要节气门， 因而不存在节气门节流损失及因天然气引起的容积效率损失。由于以天然气 的燃烧为主，因而具有无可见烟度排放，同时采用扩散燃烧方式，可具有与 柴油机相当的c o 和h c 排放性能。 天然气高压缸内直喷技术正处于研究与开发阶段，无论是理论认识上还 是在技术应用方面都需要深入研究【5 1 。 1 3 天然气与天然气发动机 1 3 1 天然气作为代用燃料的优势 内燃机的代用燃料大多是二次能源。它们可由下列一次能源：植物、天 然气、煤炭、太阳能、水力势能和风能等自然能以及核能，, n - r 成可用于内 燃机的代用燃料：植物油、醇类燃料、氢等。 植物油来源于含油量较高的植物如向同葵、大豆、油菜和棕榈等。从燃 4 哈尔滨：i ：稗大学硕十学位论文 烧学的角度来说，各类植物油之间的特性基本相同，而且与柴油比较接近， 热值是柴油的8 0 左右，动力粘度是柴油的8 1 2 倍左右，十六烷值和柴油相 当。植物油在柴油机上应用的主要问题是：植物油燃烧不很完全，在气缸内留 下污垢，影响柴油机的耐久性能。另外，需要加入添加剂以提高冷起动性能。 醇类代用燃料主要有甲醇和乙醇两种。甲醇和乙醇由于其不完全燃烧的 产物中导致臭氧形成的成分较少，在美国排放标准中都被列为清洁燃料。乙 醇主要从植物中获得，但制造成本较高，应用相对较少。作为内燃机燃料， 乙醇和甲醇的性能很相似。甲醇的着火性能很差，抗爆性却很好。氢燃烧不 产生c 0 2 ，也不产生除t n o 。以外的污染物，因此是一种清洁能源，但氢的制 造成本很高【6 j 。 天然气是较为安全的燃气之一，它不含一氧化碳，也比空气轻，一旦泄 漏，立即会向上扩散，不易积聚形成爆炸性气体，安全性较高。采用天然气 作为能源，可减少煤和石油的用量，因而大大改善环境污染问题；天然气作 为一种清洁能源，能减少二氧化硫和粉尘排放量近1 0 0 ，减少二氧化碳排放 量6 0 和氮氧化合物排放量5 0 ，并有助于减少酸雨形成，缓解地球温室效 应，从根本上改善环境质量。其优点有哆 1 ) 绿色环保：天然气是一种洁净环保的优质能源，几乎不含硫、粉尘 和其他有害物质，燃烧时产生二氧化碳少于其他化石燃料，造成温室效应较 低，因而能从根本上改善环境质量。 2 ) 经济实惠：天然气与人工煤气相比，同比热值价格相当，并且天然 气清洁干净。天然气是洁净燃气，供应稳定，能够改善空气质量，因而能为 该地区经济发展提供新的动力，带动经济繁荣及改善环境。 3 ) 安全可靠：天然气无毒、易散发，比重轻于空气，不宜积聚成爆炸 性气体，是较为安全的燃气。天然气燃点高( 6 3 0 7 3 0 度以上) ，燃烧极限为 5 1 5 ，不易形成可燃性混合气产生火灾事故。 4 ) 使用性能好：作为气体燃料，天然气发动机的冷启动性能好；天然 气不含胶质，燃烧时不会产生如汽、柴油中胶质燃烧时产生的积炭。燃料的 哈尔滨：j ：程大学硕士学位论文 辛烷值很高，约为1 3 0 ，优质汽油的辛烷值仅在9 6 左右，所以天然气的抗暴性 能高，发动机运行平稳，噪音低。天然气专用发动机的合理压缩比为1 2 ，并 可适当增加点火提前角，从而可以提高发动机的动力性和经济性。 5 ) 经济性好：天然气资源相对于石油资源开采便利，价格便宜，完善 的天然气供给体系将大大降低天然气燃料的成本，体现出作为车用燃料良好 的性价比。 天然气是指蕴藏在地层内的可燃性气体，主要是低分子烷烃的混合物， 可分为干气天然气和湿天然气两种【引。 是甲烷( 体积含量一般在9 0 以上) ， 天然气属高燃点轻质燃料，主要成分 也含有很少量处理过程中残余的大分 子烃类，除了为用作燃料而进行的处理外，不需要进一步的精炼或化学处理， 燃烧后一般没有烟灰。天然气比汽油易挥发，燃点比汽油高1 7 5 倍，同样 的条件下天然气比汽油更不容易自燃和爆炸，并且价格通常比汽油低 2 0 5 0 ；辛烷值高，燃烧限宽，可燃烧稀混合气，以提高内燃机的经济性， 不含铅、苯和芳香烃等有毒物质。 液化天然气( l n g ) 被公认是地球上最干净的能源。其制造过程是先将 气田生产的天然气净化处理，经一连串超低温液化后，利用液化天然气船运 送。l n g 在液化过程中，已将硫、二氧化碳、水分等除去，因此，燃烧时， 不会因硫分而造成空气污染，是一种干净清洁的能源，且具有很高的热值。 l n g 液化后体积缩小为气态的1 6 0 0 ，便于储存与运输，又可利用海水很简 单地将之气化，是非常方便高效率的能源。l n g 在常温下约有8 3 6 焦耳千 克的冷能，可用来发电、空气液化及食品冷冻【9 】。 1 3 2 天然气发动机发展前景 自从1 8 7 2 年发明了奥托循环发动机开始就有了天然气发动机。早在第一 次世界大战期间天然气就开始用在汽车上，后来主要由于其贮存、携带极不 方便才让位于液体燃料中的汽油和柴油。而在上个世纪7 0 年代以来，特别是 中东石油危机爆发以后，人们逐步认识到使用天然气代替传统的石油产品作 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为汽车燃料具有经济、清洁的突出优点，于是纷纷加快了天然气汽车的发展。 在天然气资源丰富的俄罗斯、意大利、阿根廷、新西兰、巴西、印度尼西亚 等国家和地区，以及受到环保法规和国家政策制约的美国、日本等国家，天 然气汽车的发展非常迅速。许多国家都有完善的研究和发展计划，政府也从 政策方面进行鼓励。我国的一些专家和政府部门也早就注意到天然气作为汽 车代用燃料的问题，在5 0 年代就开展了有关天然气汽车的研究。目前，天然 气的开发中采用的主要是压缩天然气( c n g ) 技术，实际应用中遇到了许多较 难解决的问题，例如车辆行驶里程短、经济性不太理想、安全性较差等，从 而限制其广泛应用。与之相比，液化天然气( l n g ) 具有更多的优点，l n g 以 1 6 2 低温液化天然气的存储方式代替了压缩存储方式，同质量l n g 的体积 仅为c n g 的1 3 ，l n g 具有纯度高、存储体积小、能量密度大、安全可靠等 优势，发展潜力巨大【l o 】。 近年来随着天然气低温液化技术的成熟，l n g 已成为全球增长最快的能 源，美国c h a r ti n d u s t r i e s ，i n c 在这方面处于领先地位，它是目前世界上规模 最大、技术最先进的l n g 液化装置和车辆燃料储罐供应商。美国c a t e r p i l l a r ， f o r d ，j o n e d e e r ，c u m m i n s 和加拿大w e s t p o r t 等公司均生产l n g 发动机。日本 s u z i k i 和n i s s h i n 等公司也研制出微型客车用进气道多点喷射l n g 发动机。 l n g 的应用在我国正逐渐引起重视，目前尚处于起步阶段，主要问题是 天然气的液化和储存技术。国产l n g 储罐技术已经成熟，价格仅为进口装置 的2 3 。河南中原油田绿能高科有限责任公司与北京公交公司合作，于2 0 0 2 年 完成我国第一个l n g 汽车科技示范项目，并建成我国第一个车用l n g 加气 站。之后上海、乌鲁木齐、长沙、绵阳、杭州、开封等城市都纷纷加快了l n g 公交车的研发与投入。 l n g 在冷能回收利用方面( 如冷藏车、空调车的应用) 具有其他燃料不 可比拟的优势，西安交通大学和西南石油大学等单位在这方面进行了理论研 究和实践探讨。 l n g 技术解决了天然气汽车燃料的储运问题，但是l n g 汽车改装燃气系 7 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 l n g 自气化引起的污染等问题还有待进一步解决【1 1 1 。 外双燃料发动机的研究现状 然气的燃烧性能，单一的使用天然气作为燃料时动力性能与柴油 料时最大功率下降。而采用天然气柴油混合燃料既较好地解决了 较多的问题，又能实现减少污染和保护环境的目的【1 2 1 。 发动机作为气体燃料发动机的一类，是随着气体燃料的使用而发 双燃料发动机的研究始于2 0 世纪初，由于当时石油燃料与气体燃 ，环境问题未引起充分重视，加上在使用气体燃料时发动机在小 荷工况难以运行，早期的研究未能取得商业性成果。2 0 世纪后期， ，缓解石油能源紧张的局面，气体燃料受到了世界各国的重视和 料发动机技术不断完善【5 1 。 ( 1 ) 柴油天然气双燃料发动机 国内外双燃料发动机的开发研制工作，不断地向着纵深方向发展。将柴 油机改为双燃料发动机应该达到以下目标：发动机改动小；与原机相比，动 力性保持不变或略有提高；排放指标应有大幅度的改善；具有良好的安全性 和可靠性【i3 1 。目前，大多数双燃料发动机的引燃油量是在原来的机械式喷油 泵控制的基础上，只增加一套供气系统，而不必对柴油机做很大的改动就可 实现双燃料运行。由于发动机的各工况引燃油量变化不大，怠速工况通常运 行在柴油单燃料状态，小负荷工况下天然气的替代率较小，随负荷增大替代 率增大【1 4 】。 a ) 在柴油天然气进气管喷射系统方面，国外进行了大量的研究工作。 电控单点喷射式双燃料发动机，即在进气总管上安装电控混合器或气体 燃料喷射阀，并采集转速、冷却水温度、进气管压力等信号作为燃料供给量 的判据。美国的c a t e r p i l l a r 3 2 0 8 型柴油c n g 双燃料发动机就是典型的电控混 合器式双燃料发动机，整个系统由天然气供给系统、柴油限制机构和电子控 制系统组成【”】。 哈尔滨t 程火学硕十学位论文 电控多点喷射式双燃料发动机，即气体燃料采用多点喷射、柴油和气体 燃料供给采用综合电子控制。其气体燃料控制系统采用开关式高速电磁阀作 为气体喷射器，喷射器安装在进气歧管的根部，燃油系统采用电控喷油泵或 将原机械控制直列式喷油泵改造为电控式喷油泵。当以双燃料运行时，气体 燃料喷射阀依照电控单元的指令定时定量向相应的气缸的进气歧管喷射，喷 射出的气体燃料与空气混合并进入气缸。同时，通过电控单元控制油泵齿条 驱动器，依照发动机的m a p e f l 供给各缸合理的引燃油量。电控多点喷射式双 燃料发动机比较典型的有美国s p i 公司为b e n z 公司改装的o m 3 5 2 双燃料发动 机，美国d d c 公司和s & s 公司联合开发的p 烈g 双燃料发动机，法国的p i e l s t i c k p a 5 双燃料发动机，美国g m 公司的m e d l 6 6 4 5 e 3 b 双燃料机车发动机，德国 m a n b & w 公司的m a n 2 8 3 2 双燃料发动机等。由于气体燃料供给可从进气 过程后期开始，这类双燃料发动机不仅避免了气门重叠的扫气过程中气体燃 料随排气排出，而且有利于混合气的分层进气，实现稀薄燃烧，扩大双燃料 使用工况范围，并可大大改善燃烧和排放性能。 b ) 缸内直喷式双燃料发动机，即气体燃料和引燃柴油一样j 直接由喷 嘴喷入气缸内。p h i l i p 率先提出了天然气缸内高压喷射( h p d i ，h i g hp r e s s u r e d i r e c ti n j e c t i o n ) 和缸内扩散燃烧的理论。采用缸内高压直接喷射技术的目的 是在保持柴油机的功率、热效率、可靠性和燃料经济性的条件下，燃烧清洁 的气体燃料，降低发动机有害气体的排放。发动机唯一改动的地方是用高压 喷嘴代替了柴油喷嘴，而不需对发动机进行其它改变。 这种双燃料的方法有以下优点：柴油液流在天然气中形成多个着火点， 因而缩短了预混合燃烧过程，从而减少了噪音和n o 的排放量。通过调整柴油 和天然气喷射的相对时间，可使得n o 和噪音进一步降低。 1 9 9 4 年选用底特律柴油机公司( d d c ) 的6 v 9 2 t ad d e ci i 型发动机进行 了改装，并于1 9 9 7 年4 月向外界推出了世界第一辆采用高压直接喷射技术的天 然气公共汽车。试验结果显示h p d i 发动机与原柴油机在扭矩、功率和燃料消 耗方面基本相同，排放方面n o x 减少了4 5 ，c 0 2 减少7 2 5 ，颗粒物质( p m ) 9 哈尔滨t 程大学硕十学f 7 ：论文 得到了显著减少。 但是，高压喷射系统需要高压的气体燃料，对于c n g 需要一个小型车载 压缩机以便将压力不断降低的储气瓶气体压缩至l j 3 0 0 0 p s i ( 大约2 1 m p a ) ，对于 使用l n g 的车辆，需要一个小型的高压深冷泵。车载c n g d x 压缩机只消耗公 共汽车平均发动机功率的1 ，如果采用l n g 燃料只有0 5 。这与将柴油压缩 到高压喷射压力所需能量大小类似【1 4 】。 c ) 微量柴油引燃、气体燃料电控多点喷射方式。 引燃油量是影响双燃料发动机低负荷排放和性能指标的重要因素。为了 减少污染物的排放和柴油的使用，希望双燃料发动机尽可能的减少引燃燃料 的数量。美i 蚕c o o p e r 公司在l s v b 柴油机的基础上开发了具有引燃柴油微量喷 射功能的c o o p e r c l e a n b u m 双燃料发动机。该发动机改变了燃烧室结构和进气 道，并增加了预燃室，此预燃室安装在缸盖上，包含有微量喷油器的集合部 件。当发动机以双燃料方式工作时，微量的引燃柴油通过微量喷油器喷入预 燃室中，柴油在预燃室中着火燃烧并以火焰喷束的形式射入主燃烧室，快速、 大面积的引燃主燃烧室内的稀薄的可燃混合气，最高替代率可达9 9 1 ，并 且大大降低了碳烟排放。该机保留了原机的喷油系统，在纯柴油方式下仍可 正常工作。芬兰c o l t e c 公司也开发出类似的微引燃预燃室双燃料发动机 e n v i r o d e s i g np c 2 5 。 美国b k w 公司研制开发了单一喷油器的微量引燃油量喷射系统。其利用 该公司的s e r v o j e t 电控共轨蓄压式喷油系统取代