【摘要】：本文基于一臺進(jìn)氣道預(yù)混四缸點燃式渦輪增壓天然氣發(fā)動機(jī),對發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)熱化學(xué)燃料重整(TFR)燃燒模式展開了全面而深入研究。對重整循環(huán)模式、壓縮比以及點火提前角等參數(shù)對缸內(nèi)熱化學(xué)燃料重整過程和整機(jī)燃燒與排放特性進(jìn)行了深入研究。在以上工作基礎(chǔ)之上,展開了TFR與當(dāng)量燃燒和稀薄燃燒兩種燃燒方式耦合的研究。最終形成了采用當(dāng)量燃燒的“Stoi+TFR+TWC”和采用稀薄燃燒的“Lean+TFR”兩種點燃式天然氣發(fā)動機(jī)高效低排放技術(shù)策略。本文首先研究了EGR策略對天然氣發(fā)動機(jī)燃燒和排放的影響,分析了EGR影響缸內(nèi)燃燒和常規(guī)排放的內(nèi)在機(jī)理,總結(jié)了EGR對整機(jī)性能的影響規(guī)律。為深入研究EGR影響發(fā)動機(jī)性能的機(jī)制,本文通過對比隔離法研究了EGR的典型組分CO_2和N_2以及Ar這三種稀釋氣體的稀釋效應(yīng)、熱效應(yīng)以及CO_2的化學(xué)效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn),EGR有利于降低整機(jī)的NOx排放,但主要由于EGR的CO_2和N_2成分存在較強(qiáng)的熱效應(yīng),使得EGR并不利于整機(jī)的燃燒性能。為克服EGR策略了對燃燒的不利影響,本文展開了在EGR策略基礎(chǔ)上采用摻燒H_2的策略來優(yōu)化發(fā)動機(jī)性能的實驗。結(jié)果表明,采用EGR+H_2策略可以實現(xiàn)發(fā)動機(jī)的燃燒和排放性能的全面優(yōu)化。不過,因純H_2的存儲運輸?shù)葐栴}使得EGR+H_2策略而不利于實際應(yīng)用。為此,本文嘗試采用“缸內(nèi)熱化學(xué)燃料重整”(In-Cylinder Thermochemical Fuel Reforming:ICTFR,Simplified as:TFR)的方式試圖實現(xiàn)H_2與EGR的在線有機(jī)結(jié)合�；凇案變�(nèi)熱化學(xué)燃料重整”概念發(fā)動機(jī)運行模式如下:將發(fā)動機(jī)的某一缸(本文采用第四缸)運行在濃燃狀態(tài)下(當(dāng)量比大于1.00,發(fā)動機(jī)原機(jī)采用進(jìn)氣總管燃料噴射方式,第四缸的濃燃通過進(jìn)氣歧管額外加裝的噴嘴噴射燃料實現(xiàn)),并將該缸(重整缸)的排氣管獨立出來并將其所有排氣直接送入發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣中。本文的驗證試驗表明,通過缸內(nèi)濃燃的方式,濃燃缸的排氣中除了EGR主要成分CO_2和N_2之外,還存在大量H_2,CO活性氣體成分。由此實現(xiàn)了EGR與H_2的有機(jī)結(jié)合。隨后,本文展開了壓前、壓后、節(jié)后三種TFR進(jìn)氣模式(Pre-Compressor TFR Loop:PC-TFRL;After-Compressor TFR Loop:AC-TFRL;After-Throttle TFR Loop:AT-TFRL)下發(fā)動機(jī)性能的對比研究并證明了AC-TFRL模式的綜合性能最優(yōu)。在AC-TFRL的模式下,深入研究了TFR對發(fā)動機(jī)的性能影響。研究表明,同常規(guī)當(dāng)量燃燒的天然氣發(fā)動機(jī)相比,TFR模式下的發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性能與其相當(dāng),而BSNOx顯著地降低。不過采用天然氣缸內(nèi)熱化學(xué)重整燃燒模式的最大缺點在于重整缸在濃燃狀態(tài)下存在明顯的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象,可穩(wěn)定運行的重整缸當(dāng)量比較為狹窄,且與常規(guī)缸之間存在較明顯低IMEP差異。深入分析表明,對重整缸的優(yōu)化是實現(xiàn)TFR模式天然氣發(fā)動機(jī)整機(jī)優(yōu)化的關(guān)鍵所在。針對前述重整缸的問題,本文研究了采用液體燃料(甲醇、乙醇和正庚烷)加濃、增加壓縮比以及重整缸點火正時的措施實現(xiàn)對重整缸的優(yōu)化,并結(jié)合常規(guī)缸的點火正時實現(xiàn)了發(fā)動機(jī)的整機(jī)性能優(yōu)化。研究表明,采用甲醇、乙醇以及正庚烷加濃策略后,重整缸以及常規(guī)缸乃至整機(jī)的性能均顯著提高。就天然氣、甲醇、乙醇以及正庚烷加濃燃料而言,甲醇燃料是最優(yōu)異的加濃燃料,且性能顯著優(yōu)于其他三種加濃燃料。通過采用甲醇加濃策略,成功解決了純天然氣燃料缸內(nèi)重整引起的重整缸燃燒不穩(wěn)定的現(xiàn)象。實驗結(jié)果還表明,提高發(fā)動機(jī)壓縮比是改善TFR天然氣發(fā)動機(jī)性能的有效措施。提高整機(jī)壓縮比(常規(guī)缸和重整缸均提高壓縮比)后,重整缸內(nèi)的燃燒質(zhì)量更高,工作更加穩(wěn)定,且重整缸穩(wěn)定運行當(dāng)量比窗口大幅拓寬。不僅如此,整機(jī)燃燒穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性均顯著提高,而BSNOx排放顯著降低。結(jié)合點火正時優(yōu)化措施,最終實現(xiàn)了基于TFR的點燃式天然氣發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定高效運行。在前述研究基礎(chǔ)上,本文展開了當(dāng)量燃燒和稀薄燃燒與TFR耦合所形成的“Stoi+TFR+TWC”和“Lean+TFR”兩種策略研究。此外,結(jié)合高壓縮比、甲醇加濃、點火正時和當(dāng)量比控制措施對采用這兩種策略的天然氣發(fā)動機(jī)性能展開了綜合優(yōu)化。研究表明,在“Stoi+TFR+TWC”策略中,基于“微震蕩”策略的TWC的控制策略是整機(jī)排放優(yōu)化的關(guān)鍵所在;而在“Lean+TFR”策略中,常規(guī)缸和重整缸的當(dāng)量比控制則是優(yōu)化整機(jī)性能的核心。同原稀燃式天然氣發(fā)動機(jī)相比,優(yōu)化后的“Stoi+TFR+TWC”和“Lean+TFR”兩種策略均顯著提高發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能并大幅降低整機(jī)的排放。最終形成了“Stoi+TFR+TWC”和“Lean+TFR”兩種點燃式天然氣發(fā)動機(jī)高效低排放的技術(shù)策略。就這兩種技術(shù)策略而言,相比之下,“Lean+TFR”的經(jīng)濟(jì)性更優(yōu),而“Stoi+TFR+TWC”的動力潛能和排放性能更佳。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TK43
【圖文】：

世界經(jīng)濟(jì)一直保持著高速發(fā)展的勢頭。為社會的發(fā)展提供動力。時至今日，石油依然發(fā)揮統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，目前整個世界的石油儲量約為 1698由于石油資源的不可再生性以及復(fù)雜的世界地緣政多次石油危機(jī)以及因石油資源而引發(fā)了多次戰(zhàn)爭。界經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的重要因素之一。就我國而言，石為整個世界石油資源的 0.91%（如圖 1- 1 所示），是濟(jì)的高速發(fā)展，對石油的需求量也逐年增加（如圖進(jìn)口。至 2014 年，我國石油的進(jìn)口依存度已達(dá) 60%4 年底，中國機(jī)動車保有量已達(dá) 1.46 億輛且依然保持。這與石油短缺所形成的鮮明矛盾極為顯著。相關(guān)研依然是最主要的動力設(shè)備，而石油也依然是最主要能源安全以及經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

來源的天然氣成分通常存在明顯的差異。這對于采系統(tǒng)存在較大的挑戰(zhàn)。另一方面，普通氧化催化轉(zhuǎn)I 燃燒模式下的排氣溫度通常較低，這對于高效催化，將 HCCI 燃燒模式在天然氣發(fā)動機(jī)上的工程化使用氣發(fā)動機(jī)：與傳統(tǒng)柴油一樣的工作原理一樣，直噴動機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)入缸內(nèi)，在壓縮沖程結(jié)束前后，天然由氣閥控制）并隨后被壓燃。由于天然氣自燃溫度其實現(xiàn)壓燃，如圖 1- 4 所示。非均質(zhì)壓燃式天然氣年在二沖程發(fā)動機(jī)上實現(xiàn)。其燃料由特制的提升閥控發(fā)動機(jī)正常工作要求非常嚴(yán)格，但可以實現(xiàn)非常稀[108]。而在隨后的 20 年內(nèi)其相關(guān)研究鮮有進(jìn)展。直動機(jī)再次受到關(guān)注和研究，詣在實現(xiàn)天然氣燃料在

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2732123