天然气掺氢/二甲醚双燃料发动机喷水参数影响的数值研究

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中文摘要：在全球地缘政治日趋复杂的背景下，国家能源安全面临严峻挑战。为缓解当前传统化石能源供应紧张以及环境污染的情况，增加天然气和氢气能源的应用和供应是一项有效措施。近年来，内燃机喷水作为一种能降低缸内温度、减轻爆震燃烧和减少氮氧化物排放的技术备受关注。为了降低高负荷下天然气掺氢发动机的爆震倾向、进一步提高燃料经济性和满足更严格的排放法规，本文采用发动机喷水的手段，通过数值模拟的方法利用KIVA-3V程序探究其对天然气掺氢/二甲醚反应活性控制压燃（RCCI）发动机燃烧与排放性能的影响。论文首先探究了中、高负荷下进气道喷水对发动机燃烧与排放特性的影响。进气道喷水的耗水量较多，当喷水量由0增加到100%时，高负荷下的声响强度以及NOx降低效果更好，其降低幅度分别为19.2%和41%。虽然进气道喷水都导致了燃油消耗率上升，但在高负荷下喷水对燃油消耗率的影响更小（仅升高了2.5g/kWh）。其次对比了进气道喷水和缸内喷水两种喷水模式，缸内早期喷水对于降低缸内温度、声响强度以及氮氧化物（NOx）的排放具有明显优势。进而研究了缸内喷水量和喷水温度对发动机燃烧与排放特性的影响。当喷水量由0增加到30%时，声响强度相应的由19MW/m2降为3MW/m2；同时，NOx的排放从2.69g/kWh降低到了0.14g/kWh。适量的喷水（喷水量小于24%时）使得燃油经济性变好。缸内喷水温度的变化对燃烧及性能特性的影响并不显著，但随着喷水温度的升高，可以有效降低CO的排放水平，综合考虑，采用24%的喷水量以及310K的喷水温度可以获得更好的发动机性能。最后探究了缸内喷水时刻和喷水压力对发动机燃烧与排放特性的影响，随着喷水时刻的推迟，燃油经济性变差。另外，采用较早的喷水时刻以及较高的喷水压力，所带来的声响较低。然而随着喷水时刻的推迟，CO和HC排放物显著提高；NOx的排放持相反状态。由于24%水量下的NOx的排放水平均较好，因此采用较早的喷水时刻（-100℃AATDC）和较高的喷水压力（95MPa）能兼顾CO、HC和NOx三者的排放，并且具有较好的燃油经济性和较理想的声响强度。

作者：

牛超群

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关键词：

双燃料发动机天然气掺氢二甲醚进气道喷水缸内喷水

授予学位：

硕士

学科专业：

机械

导师：

徐震、李明海、刘淑华

学位年度：

2023

学位授予单位：

大连交通大学

语种：

中文

中图分类号：