（动力机械及工程专业论文）电控cng发动机掺氢燃烧性能研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 随着世界经济的发展，在能源、环境问题上，环境污染和石油危机已经成为 2 1 世纪人类面临的两个主要问题。为了减少有害排放物和降低能耗，世界各国都 在积极开发新能源，寻找代用燃料天然气以其良好的可获得性、低污染性和经 济性日益受到世界各国的重视，以天然气为燃料的发动机也因此成为各国的研究 热点；然而天然气也具备许多缺点，由于氢气所具有的优点能够弥补天然气所具 备的不足，所以天然气掺氢燃烧是理想的燃料组合方式。 本文的研究对象是天然气掺氢发动机，研究的方法为计算机仿真和台架试验 利用g t - p o w e r 软件和发动机的台架试验对w t 6 1 5 天然气掺氢燃烧发动机进行不 同掺氢比下的性能，缸内燃烧压力、温度和燃烧放热率的研究，同时进行了点火 提前角和过量空气系数对发动机性能影响的研究 在模拟计算中，本文主要通过g t - p o w e r 软件对h c n g 发动机的工作过程进 行建模、仿真计算，分析天然气掺氢燃烧发动机影响因素；同时通过台架试验对 天然气掺氢发动机的实际工作过程进行研究；为了满足天然气掺氢发动机的试验 要求，开发应用于发动机台架试验的定掺氢比混合气配制系统。将模拟计算结果 和试验结果进行对比分析，模拟值和试验值相一致。同时将h c n g 发动机的不同 掺烧比的试验结果和铡g 发动机试验结果相比较，在发动机的性能方面，h c n g 发动机的动力性略微上升，经济性有所改善。排放物h c 和c o 有所改善，n o x 化物有所升高。h c n g 发动机的缸内压力升高，缸内温度增加，且随着掺氢比的 进一步增加，都均有上升的趋势。在排温方面，h c n g 发动机的排温略微下降， 主要是加氢改善了发动机的后燃情况。 透过研究点火提前角和过量空气系数对h c n g 发动机的性能的影响，确定了 最佳的点火提前角和过量空气系数。 关键词：天然气掺氢发动机；模拟仿真；发动机试验 分类号： 北京交通大学硕士学位论文 a bs t r a c t a b s t r a c t a b s 。i 。r a ? r ： w i t ht h ed e v e l o p m e n to f g l o b a le c o n o m y , e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n do i lc r i s i s h a v e b e e nt w om a i np r o b l e m st h a th u m a nf a c e di nt h e2 1 s tc e n t u r y i no r d e rt or e d u c e b a n e f u l e m i s s i o na n ds a v ee n e r g y , m a n yc o u n t r i e sa g ea c t i v e l yd e v e l o p i n gn e we n e r g y t e c h n o l o g ya n ds e a r c h i n gf o ra l t e r n a t i v ef u e l b e c a u s eo f i t se x c e l l e n ta d v a n t a g e s0 1 1 a v a i l a b i l i t y , t o w - e m i s s i o na n de c o n o m i cp e r f o r m a n c e , n a t u 缸g a si sr e g a r d e da so n e o f t h em o s tp r o m i s i n ga l t e r n a t i v ef u e la n dt h en a t u r a lg a se n g i n ei sb e c o m i n gt h eh o t r e s e a r c hd i r e c t i o no f t h ew o r l di nr e c e n ty e a r s h o w e v e r , t h en a t u r a lg a sh a ss o m e d i s a d v a n t a g e s a n dt h ee x c e l l e n ta d v a n t a g e so f h y d r o g e n 潍m a k eu pt h ed i s a d v a n t a g e s o f t h en a t u r a lg a s t h ep e r f e c tm i x e df u e li sa d d i n gh y d r o g e ni n t ot h en a t u r a lg a s h 吐l i sp a p e r , t h er e s e a r c ho b j e c ti sh c n g 髓菩，a n dt h er e s e a r c hm e t h o d sa l e c o m p u t e rs i m u l a t i o na n de n g i n et e s tb e n c h s t u d yt h eh c n gp e r f o r m a n c ea n d c o m b u s t i o nu n d e rt h ed i f f e r e n tc o n s t a n th y d r o g e nb l e n d i n gr a t i ob yc o m p u t e r s i m u l a t i o nu s i n gg t - p o w e rs o f t w a r ea n do ne n g i n et e s tb e n c h ；a n ds t u d yt h ei m p a c t i o n o f t h ei g n i t i o na d v a n c c da n g l ea n d 甑c e s sa i rc o e f f i c i e n to ne n g i n ep e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , s i m u l a t i o no f w t 6 1 5 h c n o e n g i n ew o r kp r o c e s sa g ec o n d u c t e db y g t - p o w e rs o f t w a r ea n df a c t o r sa f f e c t i n gw t 6 1 5 h c n ge n g i n ew o r kp r o c e s sa g e a n a l y z e d ；a n dt h er e a lw o r kp r o c e s so f 、 呵 6 1 5 h c n ge n g i n ei sc o n d u c t e d o ne n g i n e t e s tb e n c h f o rt h ed e m a n do f h y d r o g e nb l e n dn a t u r a lg a se n g i n ed e v e l o p m e n t , t h e h y d r o g e n - n a t u r a lg a sf i l e l m gs u p p l ys y s t e ms u i tf o rt h ee n g i n et e s tb e n c h i sd e v e l o p e d t oa c h i e v et h ec o n s t u n th y d r o g e nb l e n d i n gr a t i o a l ls i m u l a t i o nr e s u l t sc o m p u t e d 哪 c o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ：e n g i n ep o w e rp e r f o r m a n c ei n a 麟韶a l i t t l ea n d e c o n o m yp e r f o r m a n c ei si m p r o v e d h ca n dc o c o m ed o w na n dn o xi n c r e a s e sm u c h s m d y i n g t h ew t 6 1 5 h c n g e n g i n ec o m b u s t i o n , t h ec y l i n d e rp r e s s u r ei sh i g h e rt h a n w t 6 1 5 c n ge n g i n e ；t h et e m p e r a t u r ei nc y l m d e ri n c r i 瑚铭a n dw i t ht h ei n c r e a s eo f h y d r o g e nb l e n d i n gn a t u r a lg a sr a t i o ，t h e yh a v et h et r e n do f i n c r e a s e t h ed i s c h a g g e t e m p e r a t u r e o f 、) 1 1 r 6 1 5 h c n g e n g i l i e i s l o w e r t h a n w t 6 1 5 c n ge n g i n e ，b e c a u s e a d d i l l g h y d r o g e ni nn a t u r a lg a si m p r 0 v 璐p o s t - c o m b u s t i o no f w t 6 1 5 c n ge n g i n e b ys t u d y i n gt h ei m p a c t i o no f t h ei g n i t i o na d v a n c e da n g l ea n d & x o 器sa i rc o e f f i c i e n t o i le n g i n ep e r f o m u m c e , t h eo p t i m u mh y d r o g e nb l e n d i n gr a t i oa g ep r o p o u n d e d 北京交通大学硬士学位论文a b s t r a c t k e yw o r d s ：h c n ge n g i n e ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n ；e n g i n ee x p e r i m e n t v 致谢 本论文是在刘建华导师的悉心指导之下完成的学术严谨，认真负责的工作 精神，丰富的工程实践经验使学生收获颇丰，给我留下深刻的印象，使学生受益 匪浅，在此，真诚的感谢刘建华导师对学生所进行的言传身教 在论文工作期间，得到了张欣教授的直接指导，老师丰富的学识、严谨的作 风、精益求精的科研作风给我留下了深刻的印象在此向张老师所给的学术上的 培养以及生活上的关怀表示感谢。 在工作与学习过程中，得到许多老师的关心和帮助，在论文完成过程中得到 王文浅硕士、申伟硕士、谢程宁硕士、席跃进硕士等同学的帮助和鼓励，与他们 的交流总是很令人愉快的。 求学多年，离不开家人给予我细心的照顾、理解和支持，借此机会向各位亲 人表示深深的感谢! 最后衷心感谢在百忙中评审本论文的诸位专家! 绪论 1 1 课题研究背景 1 绪论 1 1 1 汽车工业的能源和环境问题 能源作为世界经济的命脉，社会发展的动力，受到了各国的高度重视。然而， 占世界能源供给9 0 的化石燃料其储量在日益枯竭。已探明世界原油可供再利用 5 0 - - 8 0 年，煤可供再利用2 0 0 - 3 0 0 年，天然气可供再利用l o o 年“1 化石燃料的使 用导致严重的环境污染。石油中含有大量的重金属元素和芳烃、烯烃。汽车排出 的废气中含有h c 、c o 、n o 工，铅化物和碳化物，它们是造成城市大气污染的主 要原因。2 0 0 2 年在全世界污染最严重的十个城市中，中国占5 个以北京为例， 大气污染物中6 3 4 的c o 、7 3 5 的h c 和5 6 o 的n o 工来源于汽车0 1 。化石燃 料燃烧放出的c 0 2 是最重要的温室气体。近1 0 0 多年中，全球地面平均温度上升 了0 3 加6 c ，海平面上升了1 4 - - - 2 5 c a n 化石燃料分布不均、储量有限。由它引 发的战争与冲突屡见不鲜。伊拉克战争的爆发让人更为担心世界石油的供应。面 对传统的化石燃料近于桔竭，由于燃烧矿物燃料使全球气候变暖日益加速，世界 很多城市的市内空气质量下降，为争夺能源地区政治不稳定日益加剧等诸多威胁 人类社会生存与发展的问题。为了节约能源和保护环境，世界各国制订了一系列 燃油经济性法规和越来越严格的排放法规，以限制能源消耗和对环境的污染。为 了达到低污染和零污染的要求，各大汽车公司一方面采用先进技术，选用轻量化 材料，改进现有汽车的结构；另一方面也在积极寻找代替汽油和柴油的新能源。 无论是从缓解能源危机还是从改善环境角度来看，发动机替代燃料都具有很大的 应用潜力。 在发动机的替代燃料中，天然气是一种应用比较成熟的燃料，能满足人们对 燃烧排放的苛刻要求，而且发动机燃用天然气的技术相对简单，因此在有资源的 国家，天然气汽车最容易形成规模化、产业化。早在上个世纪的3 0 年代，意大利、 前苏联和日本等国就开始了天然气汽车的开发和应用，到上个世纪9 0 年代，由于 环境和资源问题的突现，使得天然气发动机的技术开始了快速的发展。美国政府 1 9 8 8 年颁布的替代汽车燃料法，1 9 9 0 年颁布的大气净化法及1 9 9 2 年颁布的能源政 策法极大的促进了天然气汽车在美国的发展。据有关资料报道，目前全世界约有 北京交通大学硕士学位论文 1 0 0 万辆天然气汽车在运行：美国有3 万辆，加拿大有3 3 万辆，俄罗斯有4 7 万辆， 意大利有2 3 5 万辆，新西兰有1 5 万辆，阿根廷有6 万辆”。我国是天然气资源比较 丰富的国家之一，早在上个世纪的6 0 年代，我国就在富气贫油的四川省开始研制 开发天然气汽车并推广使用，据最新评估，我国天然气总资源量为4 8 万亿立方米， 已探明的储量是2 5 3 万亿立方米，预计2 0 1 0 年天然气年产量可达至t j l 0 0 0 亿立方米， 这为我国推广天然气汽车提供了良好的资源条件嘲。目前，国内c n g 汽车已形成一 定的气候，我国在北京、上海、广州、南京，沈阳等大中城市规划和建立了上千 个天然气加气站，现有天然气燃料汽车1 5 万辆以上。这些规划与措施，极大地缓 解了我国对石油产品的依存度，降低了环境污染，为我国经济健康、稳定地发展 作出了贡献”1 。 天然气来源丰富，燃料经济性好，排污少，发动机使用寿命长，怠速及过渡 工况运行稳定性好；但天然气混合气热值低，着火延迟长、燃烧速率低，可燃极 限很窄( 5 o - 1 5 体积比) ，燃烧过程中对缺氧很敏感，爆发压力低，而且容易爆 炸，充气效率和空气量小，这样就使天然气发动机会出现燃烧期过长( 后燃严重) 、 动力性下降、热效率和可靠性降低等问题；由于甲烷热值较高，达蛩j 3 6 0 0 0 k j m 3 ， 在高温下燃烧温度可达到2 3 0 0 ，容易产生n o x 气体，因此在实际使用过程中和 汽油、柴油车相比，天然气汽车并不能降低n o x 气体的排放。再加上稀混合燃烧 的实现需要将空燃比靠近稀燃熄火极限，使燃烧过程波动增加，燃烧循环变动加 剧。这些不利因素在很大程度上限制了稀燃天然气发动机的广泛使用。 氢能是未来最理想的能源。这种质量很轻的气体是宇宙中最丰富的元素，它 能够从水中制得。它出奇的洁净，燃烧时排放出基本上是新鲜的水蒸汽。目前， 世界上氢的年产量是3 6 0 0 万吨，但绝大多数是从石油、煤炭和天然气中制取嘲。 氢作为发动机燃料的主要特点： ( 1 ) 与其它燃料相比，氢气在宽广的温度和压力范围内都具有很高的火焰传 播速率，即使在稀混合气条件下仍具有很高的火焰传播速率，燃烧时间缩短； ( 2 ) 稀燃能力比其他燃料强，发动机能在稀混合气下稳定工作； ( 3 ) 稀混合气燃烧和快速放热速率使燃氢发动机具有很好的热效率； ( 4 ) 燃氢发动机具有很好的排放特性，燃烧后无一氧化碳，二氧化碳，硫化 物，碳烟和颗粒物排放，只产生氮氧化物和水，稀混合气燃烧时氮氧化物也可降 低到比其他燃料低得多的水平； ( 5 ) 快燃能保证发动机高速下的性能，具有好的低温环境下工作性能和冷起 动性能； ( 6 ) 氢气由于火焰传播速率很快，因此具有很高的有效辛烷值( e f f e c t i v eo c t a n e n u m b e r ) ： 2 绪论 ( 7 ) 添加少量氢气可明显改善其他燃料( 特别是气体燃料) 的燃烧特性和 排放特性； ( 8 ) 点火提前角推迟后仍能保持很好的热效率，燃烧可在上止点附近结束， 以确保较高的发动机输出功率； ( 9 ) 稀混合气允许提高发动机压缩比来提高热效率和功率； ( 1 0 ) 燃烧速率快的氢气使发动机性能对燃烧室形状、湍流强度和进气涡流 不敏感； ( i1 ) 允许使用更大的废气再循环 燃氢发动机所具有的一些缺点：2 0 m p a t 的压缩氢气能量只相当于同等体积下 汽油燃料的5 ，因此燃氢发动机的行驶里程受到限制；燃氢发动机由于混合气热 值下降和采用稀燃方式，发动机功率输出受到限制；着火所需能量低，点火前的 混合气控制比较困难，进气管容易发生回火现象；燃烧压力高，易于发生爆燃， 等价的燃料辛烷值低于汽油和甲烷；理论空燃比下燃烧产生较高的压力和温度， 氮氧化物排放高；燃烧噪声高，发动机振动大，增压困难；传热损失相对较大； 发动机升功率低，获得同等功率要比汽油机缸径大4 0 6 0 ，进而带来发动机转 速降低，机械损失增加，发动机抗爆能力下降。 从上面的叙述中可以看出，氢气所具有的优点正是天然气的不足，下表1 1 是 氢气和天然气一些性质的比较。 表i 一1 氢气和天然气一些性质的比较 天然气氢气， 自燃温度( ) 5 4 04 0 0 最大燃烧速度( c m s ) 3 72 9 1 2 最小点火能量( m j ) o 20 0 1 8 理论混合比下的淬熄距离( a n ) o 2 50 0 6 稀燃极限o 5 o 1 l k g 理论空燃比混合气燃烧热( m j ) 2 5 63 3 7 着火极限( b yv o l u m e ) 5 3 1 5 4 7 5 层流火焰速率( m s )0 3 81 9 从表1 1 中我们可以看出改善天然气发动机的性能的有效途径是氢气作为燃 烧促进添加剂掺混到天然气燃料的混合气中，提高火焰传播速率和发动机热效率。 由于氢气是气体燃料，天然气存在燃烧速率慢的缺点，天然气掺氢燃烧被认为是 最理想的燃料组合方式。 3 北京交通大学硕士学位论文 1 1 2 氢燃料发动机性能研究的国内外现状和发展 以氢作为汽车燃料的方法有两种，一是通过氢的燃烧从化学能转化为机械能； 二是通过氢的离子化转化成电能。前者通过内燃机实现，后者则通过燃料电池实 现。目前，这两种方法的研发工作都在进行。 ( 1 ) 燃料电池汽车 燃料电池是一种将化学能直接转化成电能的装置。装备燃料电池的车辆正在试 验和研究之中。德国戴姆勒一奔驰与加拿大的巴拉德公司、美国的通用汽车公司、 福特汽车公司、日本的本田、丰田等汽车公司，纷纷推出各种以质子交换膜燃料 电池为动力的示范型轿车。与传统的内燃机驱动车辆相比，燃料电池驱动的汽车 具有很多优点：零排放，无污染；由于没有机械传动部件，噪声很小；启动快； 热效率高，其效率大约为内燃机系统的2 3 倍。但燃料电池如果既要动力、容量充 足，又要携带方便，成本就太高了。以燃料电池为动力的电动车不可能完全取代 汽车主要是因为电池的寿命远短于发动机寿命而且电动车的最大连续行驶里程受 到配备电池数量的限制。现在的主要研究目标是大功率质子交换膜、p e m 燃料电 池的集成化、新型关键材料( 燃料电池用电解质膜) 的研制等。 ( 2 ) 汽油、柴油掺氢燃烧发动机 实际应用的氢燃料汽车大多采用氢气与汽油或柴油混合的燃料，例如德国奔 驰汽车公司推出各种以汽油和氢气共同作燃料的汽车，氢燃料汽车车型包括小轿 车、客车等。氢气作为汽车燃料具有如下特点；着火界限很宽，可以进行稀薄燃 烧，这对于降低发动机的部分负荷时的能耗有重要意义；氢气有很高的火焰传播 速度，在掺烧时可使汽油得到充分的燃烧；点火能量较低，可降低掺烧的点火能 量；而且氢气燃烧后的产物是水，和汽油掺烧可降低排放。吉林工业大学内燃机 研究所所做的实验表明，在组织稀薄燃烧下，加氢比例为1 2 ( 质量百分比) 以下 为宣；包头稀土研究院所做的试验表明从发动机的热效率，功率和经济性来讲， 掺氢量以缈红5 ( 质量百分比) 为宜。1 。 柴油机掺氢燃烧的出发点是利用氢气的高燃烧速率来缩短燃烧时间，提高热 效率和降低燃油消耗率。柴油机掺氢后着火滞燃期缩短，燃烧可在上止点附近完 成，着火滞燃期受混合气中氧影响不大，从而为采用废气再循环降低氮氧化物排 放创造了条件。柴油天然气双燃料发动机碳氢排放较高，特别是在低负荷工况下， 掺氢燃烧可有效降低发动机的碳氢排放量并带来大幅度降低碳烟排放的效果，燃 油消耗率也下降。 4 绪论 ( 3 ) 燃氢发动机 氢燃料用于车用内燃机时比汽油具有燃烧速度快，着火界限宽广，质量放热 率高的独特优势。此外，传统石油燃料发动机的结构基本不做改动就可直接燃用 氢，且氢燃料内燃机的有害排放污染物远远低于石油燃料内燃机的排放。这些特 点使得对氢燃料发动机的研究，特别是美、德、日等发达国家对其研究方兴未艾。 但是氢发动机输出功率降低，且易发生回火和早燃等不正常燃烧。目前，世界一 些知名的大汽车公司都研制出了自己的氢气发动机，虽然推广应用氢气燃料发动 机还要解决一系列技术问题，如需找到氢气在汽车上安全有效的贮运方法；需要 找到大量生产廉价氢的方法；需要解决氢燃料供给系统等。但从长远和发展的观 点看，氢气发动机最有前途。 ( 4 ) 天然气掺氢燃烧发动机 天然气加氢燃烧技术在国外近年来有许多研究和应用。加拿大、爱尔兰、澳 大利亚、欧盟等地区和国家也利用压缩天然气加氢作为汽车燃料。天然气加氢的 汽车燃料技术在国外已经是成熟的技术。由于天然气中甲烷的含量不同，从 8 5 - 9 5 ，国外各个研究机构所做的实验的结果就会有所不同。美国国家可再生 能源实验室的研究结果指出，天然气中加入5 - - 7 的氢气( 能量百分比) ，即 1 5 2 0 ( 体积百分比) ，那么n o x 的排放量将减少5 0 。美国d e n v e r 示范项 目的结果表明：与天然气相比，加入5 质量的氢气和天然气组成的混合燃料的碳 氢化合物( t h c ) 、c o 和n o z 的排放量分别降低3 0 、5 0 和5 0 。氢气和天然 气混合燃料对c o z 的排放的减少也有效果”。 h o e k s t r a 等人在c h o v r o l o t3 5 0 ，v 8 的发动机上做试验，发动机的的功率为 1 2 7 k w ，转速为1 7 0 0 r m i n ，8 = 9 ：l ，混合气中氢气的含量分别为0 ，1 1 ，2 0 ， 2 8 ，3 6 ( 体积百分比) 。模仿一辆轻卡车在平坦的路面上以5 5 1 a n p h 的速度行驶， 他们发现在扣1 6 ( o = o 6 2 5 ) ，氢气的含量为2 8 、3 6 的情况下，n o 工的排放非 常低。在氢气的含量为2 8 的情况下，n o x 的排放量为2 8p p r a ；在氢气含量为3 6 的情况下，n o j 的排放量为1 2p p m 1 3 3 * s w a i l l 和1 s i l f 等人对发动机2 1 n i s s a n 和1 6 1 t o y o t a 进行试验，混合气中氢的含 量为2 0 ，发动机在轻载的条件下运转，扣1 8 5 ( 纯天然气燃烧k = 1 5 6 ) 稀燃状态下， 火焰前锋传播的速度增加2 9 ，热效率增加1 0 - - 1 4 “”。 r a n l a n 等人表明，在稀燃和化学计量比燃烧的状态下，天然气加氢燃烧的稀燃 极限增加了，在排放物t h c 没有过量增加的情况下，n o 工的排放量有明显的降 低n 帕。 a v l 研究表明，天然气掺氢2 0 ( 体积百分比) ，在发动机的性能和经济性没 5 北京交通大学硕士学位论文 有损失的前提下，n o 工的排放降低5 0 。 l i 等人对c n g h 2 混合燃料发动机的爆震进行了研究，认为天然气掺入少量氢 气后的混合气仍具有很好的抗爆震能力。 w o n g 等人开展了c n g h 2 不同掺混比下发动机的性能研究，认为既能获得满 意的功率输出又能防止发动机爆震的最佳h 2 掺混比为2 0 0 一2 5 ( 体积百分比) “”。 w o n g 等人通过在燃料中掺氢来改善低负荷下h c c i 天然气发动机燃烧循环变 动问题，h c c i 发动机的燃烧由混合气压缩自燃着火而形成，低负荷时混合气自燃 着火较困难，着火时间变动较大，造成较大的燃烧循环变动，混合气掺氢后着火 条件明显改善，从而有助于降低低负荷下燃烧循环变动，研究也发现天然气掺氢 后能扩展h c c i 发动机的低负荷工作范围。 利用少量氢气在副室中燃烧，形成能量较大的喷流来促进主室中甲烷气体的 燃烧速率。澳大利亚学者提出了氢气辅助喷流着火方式( h y d r o g e n - a s s i s t e d j e t i g n i t i o n ) 来提高天然气发动机的燃烧效率和降低稀混合气下的燃烧循环变动，使 用的氢含量占甲烷质量的2 - q 0 。类似的研究工作也在日本歧阜大学若并研究室 中进行，氢燃烧产生的高能量和大量活性基促进了主室中甲烷的燃烧速率“”。 天津大学内燃机燃烧学国家重点试验室的刘世文、汪洋等人在分析柴油c n g 双燃料发动机高t h c 排放来源的基础上，首次提出“柴油c n g 双燃料发动机加氢 燃烧”的概念。他们在江淮动力机厂生产的z h i11 5 柴油机上做试验，从他们所做的 试验的结果来看： 【l 】从燃烧的角度讲，加氢，燃烧的最高爆发压力升高，放热率峰值大幅度提 高，燃烧持续期变短； 【2 】从排放角度讲，t h c 、c o 排放降低，n o j 的排放增加，当引燃柴油量较 大时，加入氢气对降低烟度的趋势比较明显； 【3 1 从经济方面考虑，加氢燃烧后，燃料的消耗率有所降低，且小负荷时作用 明显。 与此同时西安交通大学也进行了天然气掺氢燃烧方面的研究，研究表明 2 0 r 3 0 掺氢量可使发动机获得最理想的动力性能、经济性能和排放性能，过高 的掺氢量发动机容易产生爆震、功率下降、经济性能降低。而过低的掺氢量没能 充分发挥氢气对发动机性能和排放改善的优点。由于天然气掺氢后可使用废气再 循环进一步降低n o x 排放，e g r 率随c n g h 2 掺氢量的增加而增加。采用e g r 后c n g h 2 发动机的n o x 可降低到特别低的水平( 1 0 p p m ) 。从燃烧使用的成 本来看，在提高发动机性能，降低排放的前提下，掺氢量少是比较合理的，天然 气中2 0 掺氢量可使发动机热效率提高1 0 。从目前的燃料价格来看，掺烧2 0 氢气的燃料成本提高1 5 ，掺烧1 0 的氢气成本提高8 。但随着太阳能热解制氢 6 绪论 和太阳能光解制氢技术成熟，达到规模化制氢，掺氢燃烧的燃料成本将大幅度下 降，接近甚至低于天然气燃料成本。因此，天然气掺氢发动机的规模化使用与规 模化制氢技术息息相关“”。 天津大学和西安交通大学的研究都是在单缸机上进行的，他们是进行天然气 掺氢燃烧的一些机理性研究。我校自1 9 9 7 年起开展了天然气电控喷射技术和燃气 发动机燃烧系统的研究工作，1 9 9 9 年开始进行公交车用柴油机改为单燃料c n g 电 喷发动机的研究工作目前，我校已经完成电控单一燃料w t 6 1 5 型六缸增压多点 顺序喷射天然气发动机的研究工作，并在此基础上完成了基于嵌入式操作系统， 在c o d e w a r r i o r 开发环境下电控系统的开发工作。本论文开展的工作就是在此基础 上进行电控天然气掺氢燃烧发动机性能的研究。 1 2 内燃机模拟计算的发展 1 2 1 模拟计算在内燃机发展中的作用 在电子计算机用于内燃机的研究之前，为了定性对内燃机的性能做出估计， 并进行有限的定量估算，不得不对内燃机的实际热力循环作出大量的简化与假设。 其中认为内燃机的正常运行工况一般是稳态的，将工质的状态参数看成是一个循 环的算术平均值等。而在内燃机设计中，则需要根据经验和类比，在大量选取参 数的基础上，对热力循环中的几个特征点进行计算，以便做出数量上的估计。这 种简单的热力计算虽然能够得到比较直观和可做定性或初步定量分析的数据，但 却十分粗略，不能够全面地反映内燃机燃烧过程、缸内工质的流动及传热过程、 进排气系统中的热力学和气体动力学过程以及与涡轮增压器的匹配性能等，更不 能对变工况性能进行计算分析”。 随着内燃机性能的不断提高，产品更新的周期不断缩短，采用常规热力计算 进行这种经验设计，已经远远满足不了现代高性能内燃机研制工作的需要。事实 上，内燃机实际运行工况的各瞬时并不是稳态的。 2 0 世纪7 0 年代以来，快速、大容量电子计算机和数据处理系统在内燃机研究 中得到广泛的应用，加上实验技术和测量仪器以及测试装备的改进，使得内燃机 在实验和理论研究上有了一个较大的发展，同时也使得内燃机工作过程的计算机 模拟成为可能，使内燃机设计由过去比较粗略的经验，半经验设计向着模拟计算、 优化设计和内燃机c a d 方面过度，而且取得了不少令人耳目一新的进展。具体表 7 北京交通大学硕士学位论文 现在： ( 1 ) 描述内燃机内部过程和与涡轮增压器匹配的一系列不受简化条件限制的 微分方程组，现在已有可能进行数值求解，从而得出定量描述的结果； ( 2 ) 那些由内燃机运行状态所决定的内部过程，如燃烧过程、气体流动过程、 热交换过程以及进排气系统与涡轮增压器匹配的气动过程等，也都有可能在计算 中予以考虑，能够建立比较符合实际的物理模型，通过数学模拟予以表达，以求 得各热力参数随时间变化的规律，用以分析内燃机的性能及其影响因素； ( 3 ) 能够系统地模拟结构参数、燃烧规律、配气相位、进排气系统中的流动 阻力、中冷器特性以及涡轮增压器特性等与内燃机性能间的相互关系，并进行参 数优化，寻求最佳的组合方案，为内燃机的设计、试验和性能改进提供理论依据。 这样，就使得现代内燃机的理论研究建立在了一个全新的基础上。 内燃机工作过程的模拟，不仅可以计算设计工况点，而且也可以计算非设计 工况点和变工况点，并可估计环境参数( p o ，死) 变化对内燃机性能的影响；不仅 可以计算内燃机的稳态过程，而且也可以计算瞬态过程，以研究各结构参数及性 能参数与内燃机瞬态特性的关系，探求改善内燃机瞬态特性的技术措施；不仅可 以在内燃机设计阶段通过计算模拟进行多方案的比较，而且可以在内燃机调试阶 段与测试技术相结合，指明调整的参数及其取值的大小；同时，在工作过程模拟 的基础上，还可以进行工作过程的模拟优化，使内燃机工作过程模拟研究向优化 设计推进一步。如此种种，是内燃机常规热力计算所无法比拟的。 1 2 2 研究现状及进展 做出最合理的规划，选择最佳的策略，获得最优方案，达到最佳的预想，这 是人们进行思维、从事研究或成就某项事业常常所努力追求的目标，而这正是“优 化”的基本出发点。随着现代科学技术的快速发展，工程设计愈来愈趋于复杂化 和大型化，设计中可供选择的方案也很多，如何从众多的可行性方案中找到一个 最为理想的方案，就显得极为重要却又很不容易。因此，在工程上为寻求一个最 为理想的方案，以便获得最好的经济效益或社会效益，这就促进了优化设计的发 展，而计算机技术的飞速进步和应用数学的不断发展，为内燃机优化设计提供了 条件和有效的研究手段。 目前，我国的内燃机设计一般还沿用传统的设计方法，即根据设计要求，在 给定的设计参数( 动力性指标、经济性指标、排放指标、寿命指标等) 和某些条件( 如 设计期限、研制周期、设计费用、材料要求等) 约束的情况下进行设计。这种设计 8 绪论 的大致过程是： ( 1 ) 在调研的基础上，经过充分的类比和统计分析进行内燃机的设计构思， 确定初步设计方案：选定参考型样机，根据给定和选定( 或预估) 的一组设计参 数进行热力学计算或热力循环模拟计算，得出一组能反映内燃机整机配合性能的 综合性参数；再参照参考型样机进行内燃机整机总体方案和各系统及零部件的设 计，并进行内燃机强度校核和平衡性计算，完成内燃机第一轮的技术设计 ( 2 ) 经过一定程序的审定后投入样机试制。根据样机试验得出的一组或几组 数据进行分析，再调整或修改设计参数( 有时修改设计方案也是可能的) 。完成 内燃机第二轮或者第三轮的设计。显然，这是一个比较花费时问、花费人力、耗 资颇大的设计过程，是一种经验的、试凑的设计方法。在较多设计参数的范围内， 为达到同一设计目标，可能有许多个参数搭配的方案组合。因此，所得结果往往 只是满足设计要求的可行性方案而已，而不是最佳的方案。这种传统的设计方法 暴露出一定的设计盲目性和研究的局限性，已不能满足现代高性能内燃机研制工 作的需要。因此，迫切需要寻求一种新的设计方法。 内燃机工作过程仿真是一种现代化的内燃机的计算研究方法，同传统的计算 分析方法相比，具有显著的优越性和合理性。它可以从不同的角度用不同的方法 进行研究。近年来，随着计算机的快速发展，内燃机模拟计算及动态仿真得到了 迅猛发展通过对内燃机进排气、燃油雾化及着火、燃烧等工作过程进行计算机 仿真，将这些短暂得难以看清和定量分析的动态过程尽可能准确地展现出来，为 深入研究其内在机理提供了有效的手段和方法。 内燃机工作过程的仿真主要分为内燃机进排气及缸内流动与燃烧的计算流体 动力学( c f d ) 计算和内燃机工作过程循环模拟( 又称性能模拟) 计算。目前计 算流体动力学己广泛用于处理内燃机进排气及缸内燃烧过程中的流体流动和燃烧 计算。内燃机的循环模拟计算则主要用于内燃机整体性能预测、性能分析和性能 优化，由于考虑了进排气、传热、摩擦以及气体密度变化等所产生的能量得失， 使得内燃机整体性能的预测结果与实验结果十分吻合。内燃机工作过程仿真分析 对于提高内燃机的动力性、经济性和排放性能具有重要的作用。 从内燃机缸内流动与燃烧过程的计算流体动力学计算的发展来看，2 0 世纪6 0 年代以来，对于燃烧模型的研究尤为热烈，由于不同时期计算机运行速度和存储 容量的限制，相继出现了一批形式各异的内燃机燃烧模型及计算机软件，总的来 说可以分为以下三种： ( 1 ) 零维模型( 又叫热力学模型) 零维模型又称单区模型。最早提出零维模型的是b o r m a ag l 。在零维模型中， 9 北京交通大学硕士学位论文 假定系统内各点的热力状态相同、各点的化学成分相同；即系统内各参数不随空 间坐标而交化，只随时间t ( 或曲轴转角妒) 而变化。时至今日，零维模型己被广 泛地应用至q 根据内燃机p - 妒图计算放热率d q d c p 、燃烧率d x d 自。和用经验的放 热规律预测示功图上。燃烧放热率计算时，零维模型采用半经验公式，并选择适 当的经验系数，模拟实际的燃烧规律。目前国内外较通用的计算放热率的半经验 公式是韦伯( v i b e ) 公式。不论是采用v i b e 函数或其他简单数学函数去模拟实际燃 烧放热规律的燃烧模型，这些均称为经验燃烧模型或零维燃烧模型。 ( 2 ) 准维模型 准维模型是在零维模型的基础上，从实际的燃烧的物理，化学过程出发，考 虑燃烧中的细节问题，如考虑喷雾、火焰传播等物理过程的影响，将燃烧室按火 焰位置或喷注空间分布形态分成两个以上的区域，分别考虑油束的形成和发展、 油滴蒸发和空气的相对运动，混合和卷吸、燃烧与火焰传播以及己燃区燃烧产物 变化等子过程，以构成燃烧模型预测缸内不同区域的燃烧状况，并能预测有害排 放物的生成。这种模型较为接近实际的燃烧过程。 目前，美国康明斯( ( c u m m i n s ) 公司林慰梓等人提出的以气相喷注为基础的“气 相喷注燃烧模型”和日本广岛大学广安博之等人提出的以油滴蒸发为基础的“油 滴蒸发燃烧模型”比较有代表性，应用较为普遍，也比较成熟。这类模型一般由 确定雾束几何形状及燃油喷注模型、燃烧热力学计算模型及排放物生成模型构成。 ( 3 ) 多维模型 零维模型和准维模型都是在热力学理论的基础上，以时间为自变量来描述燃 烧过程的。零维模型是单区模型，把整个燃烧室看作是一个区域；而准维模型把 燃烧室分成两个燃烧区域。零维模型和准维模型可以用于内燃机设计参数和运行 参数的变化对内燃机的动力性能、经济性能以及排放性能影响的研究但零维和 准维模型远不能从本质上去揭示有关燃烧现象的机理，因而也就不能对内燃机的 性能做出较详尽的客观分析和预测，其应用也缺乏普遍性。近年来，多维模型在 柴油机流动与燃烧的基础性研究方面得到了广泛的应用。 多维模型是考虑到缸内过程物理域二维和三维空间分布的模型，这类模型与 零维或准维模型相比在性质上有很大的不同。在这类模型中，各守恒方程与描述 湍流运动、化学反应、边界层特征相应的子模型一起，结合适当的边界条件，用 数值方法求解。计算结果能够提供有关内燃机燃烧过程中的气流速度，温度和成 分在燃烧时空间分布的详细信息，是一种较为精细的模型。 美国l o sa l a m o s 研究所的a m s d e n 等人1 9 8 5 年开发的k w a 程序是目前国内 1 0 绪论 外在内燃机流动与燃烧研究中应用最多的多维程序1 9 8 9 年，八八a m s d c n 等人 在k i v a 的基础上研制了k i v a - i i 程序，该程序无论计算效率、计算精度、还是 物理子模型、使用方便性和通用性都有了很大提高，集中体现了美国的l o sa l a m o s 国家实验室在内燃机燃烧过程多维模拟的研究工作 1 9 9 1 年，美国l o sa l a m o s 国家实验室在k i v a - l i 的基础上研制出k i v a - 3 程 序来计算。该程序使用块结构，把复杂的结构简单化，所以可以计算非常复杂的 几何形状，既节约了内存，又提高了速度。 1 9 9 7 年2 月k i v a - 3 的改进版k i v a - 3 v 完成，k i v a - 3 v 程序可以模拟完整 的发动机工作循环过程0 1 柳 目前，多维模型已进入了黄金发展时期，但在应用中面临的问题主要是计算 机的容量和计算速度问题。多维模型的广泛应用有赖于计算机的发展。计算机技 术的快速发展，为多维模型在内燃机的研究与设计上的应用提供了先决条件卿。 近年来，随着对内燃机工作过程的大量研究，开发出了一系列功能齐全的商 用软件，如英国a d a p c o 公司的s t a r - c d 软件，里卡多的v e c t i s 软件及奥地利 a v l 公司的f i r e 和b o o s t 等软件，为发动机的研制提供了十分便利的条件。 从内燃机工作过程循环模拟计算的发展来看，在国外，内燃机循环模拟的研 究和应用首先开始于各大学和研究机构，其中比较著名的有英国的u m i s t 大学、 b a t h 大学，德国的r u h r 大学、r i c a r d o 公司和p e i 公司它们相继开发出高质量 的循环模拟软件。并用于各种不同的研究工作其中值得一提的是美国p e i 公司开 发的e n g t e e t m 系列软件，除了循环模拟功能以外，它还能够对内燃机各个组成 系统( 例如：喷油系统、曲柄连杆机构、配气机构等) 的工作进行模拟研究。随 着循环模拟软件的进一步发展，内燃机循环模拟成为各内燃机制造公司产品开发 过程中不可缺少的重要技术手段” 同国外相比，我国内燃机循环模拟的研究和应用起步并不晚。七十年代，铁科 院、北大、中科院计算所等单位开始进行这方面的研究工作，到八十年代，武汉 水运大学、天津大学、北京理工大学、西安交大、上海交大、大连理工大学、华 中理工大学等高校和研究单位相继开展这项工作州，内燃机循环模拟研究发展比 较迅速。 国内大型内燃机工作过程数值模拟程序开发成功，缩短了我国与发达国家在 这一领域的差距，也为内燃机企业开发新产品提供的有力的技术支持。 m a t t a v ij a 指出，内燃机模拟计算对内燃机的研究和发展有三大贡献：是更 全面深入地理解构成模型的物理过程；二是找出关键的控制变量以拟定更节省、 更合理的实验方案；三是可以很方便的进行内燃机优化设计 北京交通大学硕士学位论文 1 3 课题研究的意义 本文的研究工作是国家“十五”科技攻关项目“电控喷射单燃料c n g 公交车 研究开发”的部分研究内容的后续内容，该项目开发的w t 6 1 5 型c n g 发动机具 有自主知识产权，该机能实现c n g 多点顺序喷射控制及高能点火控制，同时通过 采用天然气稀薄燃烧等技术，进一步完善c n g 发动机的排放性能，使开发机型在 没有催化转化器的情况下接近欧m 排放法规要求，达到国际同类先进机型的水平。 本文在此基础上，进行天然气掺氢燃烧的发动机性能研究 ， 天然气加氢的汽车燃料技术在国外已经是成熟的技术。完全适合在我国推广 使用天然气掺氢燃烧，可提高火焰传播速率，扩大天然气的稀燃范围，提高发 动机的热效率，氢气在天然气发动机上的应用，使天然气发动机的捧放降低所 以该技术对改善天然气发动机的性能，开拓氢能的应用领域、降低城市汽车尾气 的排放污染，加快我国氢能实用化步伐，推动我