1、海运与港航建筑工程学院轮机工程专业学位论文开题报告双燃料发动机燃烧特性分析 学生学号 110204208 学生姓名 朱廷栋 研究方向 轮机工程计算 指导教师 董良雄 开题时间 2015 年 1 月 17 日 浙江海洋学院港航学院轮机系制表年 月 日1、选题目的、意义、国内外研究现状1.1 双燃料发动机的研究背景及意义人类社会存在和发展都离不开能源，我们的生活很大程度上依赖于石油、煤炭以及天然气等化石燃料的消耗,但在大量使用这些一次化石燃料的同时,也给人类带来了严重的后果:资源枯竭、生态环境严重破坏等。本世纪以来,中国的能源,特别是石油方面,问题逐渐凸显,变得日益严重。能源是一个国家生存和发展的
2、必要因素,面临能源枯竭这一严重问题,我国现在提倡的新能源开发和利用,具有极其重要的战略意义。天然气作为一种清洁能源,节能减排效果明显,符合国家能源产业政策和节能减排要求,具有较好的经济效益和广阔的市场前景。虽然目前我国的天然气加气站还没有得到普及,但双燃料发动机具有恢复原柴油机工作的特点,其动力性、经济性、排放性等具有潜在的优势,因而,双燃料发动机的研究也成为国内研究的重点与热点。1.2、双燃料发动机燃烧特性的研究目的通过燃烧放热率曲线的比较,简要分析柴油、天然气双燃料发动机相对于柴油机的燃烧特性。然后对双燃料发动机燃料经济性进行计算和分析,为船东、船公司在船舶营运中控制成本,提供理论指导、建
3、议和帮助。1.3、双燃料发动机的分类双燃料天然气发动机按照燃料空气混合气的形成方式不同可以分为两种类型:一种是均匀混合气柴油引燃双燃料发动机,即天然气与空气一起被吸入发动机,并像传统柴油机一样被压缩,在压缩接近终了时向发动机喷入少量的柴油(通常称为 Pilot)。另一种双燃料发动机采用高压缸内直喷柴油引燃技术,在压缩行程的后期以较高的压力将天然气直接喷入气缸中，像传统的柴油机一样被压缩,但压缩终了的温度低于高压天然气的自燃温度,因此需要喷射柴油来点燃混合气。采用这种方式可以提高发动机的效率和低速扭矩,降低NOx 和微粒排放。1.4 国内外研究现状目前,国内外双燃料发动机的开发研制工作,正不断向
4、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 1。继“1996 北京国际电动汽车及代用燃料汽车技术研讨会暨展览会”之后,国内开始注重天然气汽车的研究。对柴油机改烧天然气研究已由简单的改装匹配工作,发展到燃烧特性的研究,以及发动机结构、参数、工作过程的优化,电控技术的应用等多方面的研究,但成熟的产品还较少。文献2研究了由 X6130 柴油机改装成的天然气/柴油发动机的燃料供给系统,重点分析了节气门开度和混合器喉管直径对喉管真空度的影响,并试验比较了三种不同管径的喉管供气特性,得到了
5、双燃料发动机的供给系统的有关特性。文献3针对天然气内燃机充气系数下降问题,提出了缸内直接喷气的基本思想:天然气以 20MPa 气压贮存在 CNG 罐内,通过安全电磁阀,由压力调节器使气压降至 1.0MPa,最后通过气体燃料喷射器喷射到发动机气缸内。微处理器依据氧传感器的输出信号,采用反馈控制方案来调节燃料量,使混合气空燃比接近于理想空燃比。美国 Clean Air Partner 公司与加拿大阿尔伯达州卡尔加里市代用燃料系统(AFS)公司联营,共同开发出多点喷射的双燃料控制系统,并应用在 10.3L卡特彼勒 3176B 重型发动机上,在发动机压缩比不变的情况下,两种燃料均采用电子控制,燃用的天
6、然气可达燃料总量的 60%90%,发动机根据需要能转换为 100%燃用柴油 4。目前,国外主要采用两种方式提高双燃料发动机的性能5:(1)高压天然气的缸内直喷技术;(2)微引然技术条件下的多点电喷射技术。天然气/柴油双燃料发动机的研究和开发目前存在以下几个主要问题:天然气的替代率较低,热耗率较高,HC 排放随负荷的减小有增高的趋势等。尤其在中小负荷、低转速工况下,其主要的性能指标要达到原机的技术水平,还存在一定的距离 6。其主要原因是当前双燃料发动机普遍采用进气道混合器预混合的工作方式,使工作过程中产生燃烧速度慢,此外燃油供给系统控制不精确,使天然气与空气的混合比不能保证在最优燃烧比附近,因此
7、天然气/柴油双燃料发动机的改造还需进一步完善与改进。目前,提高发动机功率和充气效率、提高热效率、进一步降低排放水平,以及实现整车的优化匹配技术是解决天然气/柴油双燃料发动机的关键技术问题。具体地说,如下几项关键技术是天然气/柴油双燃料发动机今后一段时间重点的发展方向 7:（1)进行天然气/柴油双燃料发动机燃烧规律和燃烧特性的研究,侧重稀薄燃烧技术的应用研究。特别是中、小负荷燃烧恶化的问题;(2)针对排放试验中某些排放物和排放工况的排放量略高的问题,特别是 HC 排放量高问题,研究双燃料发动机有关排放物的形成规律及其控制,包括新型催化剂和催化技术、缸内燃烧技术等。天然气/柴油双燃料发动机实现成熟
8、性的发展,达到高效低污染的目的,应重视开展相应的关键技术及其应用基础研究。以关键技术及应用基础研究为基础,注重先进技术的推广使用,探索实现高起点和高技术含量开发与发展的途径 82、论文实施方案（包括实施目标、实施内容及论文的特色或创新之处等，不够可加页）2.1 论文的特色与创新一般在计算双燃料发动机的放热规律通常采用计算柴油机的放热规律程序来计算，计算程序中由于将气体燃料折算成等热值的柴油，而忽略了气体燃料与柴油热力学物理性质之间的差异，从而引起了较大的误差。而本文在计算模型的建立上进行了创新。为了减少误差，在做出一些理想假设的前提下从发动机燃烧过程的基本理论来推导双燃料发动机放热规律的计算模
9、型。2.2 实施目标 通过对天然气品质、天然气对柴油的替代率、热效率等问题的分析和探讨建立双燃料发动机模型，并对其工作性能进行模拟计算和研究分析，提出双燃料发动机进一步发展的方向和建议2.3 实施内容2.3.1 通过假设建立计算模型假设发动机缸内的热力学过程满足零维假定,即缸内温度、压力和工质是均匀的、柴油和气体燃料按等比例燃烧、柴油和气体燃料完全燃烧,即缸内工质为气体燃料、空气、完全燃烧产物和残余废气等组成、忽略缸内工质泄露,缸内工质总质量变化率即为柴油的燃烧速率，建立热力学模型2.3.2 缸内工质参数的分析列出柴油和气体燃料组成的混合燃料完全燃烧产物混合气的组成及摩尔分数,并求出完全燃烧产
10、物的摩尔质量的表达式。根据完全燃烧化学反应方程式得出 1 kg 燃料完全燃烧后混合气的组成及摩尔分数、完全燃烧产物的摩尔质量以及完全燃烧产物的热力学参数。2.3.3 热力学模型的建立及计算根据热力学第一定律，能量守恒方程，质量守恒方程等理论知识，建立微分方程，然后根据假设对微分方程进行化简并用计算软件对缸内工质总质量、缸内空气变化率、气体燃料质量变化率、完全燃烧产物质量变化率、残余废气质量变化率进行求解计算，得到结果。2.3.4 模型计算结果比较与分析对模型计算结果进行研究分析，从而提出双燃料发动机进一步发展的方向和建议。参考文献1 冯幸福 ,吴同起.燃气汽车及加气站M.北京:电子工业出版社,
11、2001.2 刘振涛 ,俞晓莉,费少梅.天然气/柴油双燃料发动机燃气供给系统特性研究J.内燃机工程,2002,11(2):15-19.3 方祖华 ,候树荣,洪 伟.点燃式内燃机应用气体燃料的喷气技术及其试验研究J. 吉林工业大学学报,1997,27(1):7-12.4 Bruce Wadman.重型汽车双燃料发动机的发展J.段 缨,于海涛译.国外内燃机,1997,29(6):53-55.5 Gebert Kersimir.All Electric Dual Fuel Injection System for the Belarus D-144 Diesel EngineJ.SAE Paper,
12、901502,1990.6 孙济美,高 青,张纪鹏.气体燃料汽车的电控喷射供气技术J.国外石油机械,1998,12(6):57-63.7 张纪鹏 ,高 青,孙济美.预混合式天然气/柴油双燃料发动机若干问题的分析与探讨J.汽车技术,2000,1(2):7-9.8 Wai Y Wang.Performance and Emission of a Natural gas Dual-fuel Indirect Injected Diesel EngineJ.SAE Paper,911766,1991.9 刘永长 .内燃机工作过程计算M .武汉:华东理工大学出版社, 1996.10刘增勇 .天然气/柴油
13、双燃料发动机燃烧特性的研究: 学位论文D .天津: 天津大学, 2001.11 尧命发 ,许斯都,郑尊清,等.直喷式柴油机燃用柴油-LPG 双燃料燃烧与排放特性的试验研究J.汽车技术, 2001, (1): 1418.12姚春德 ,刘增勇,高昌卿,等.柴油引燃天然气的双燃料燃烧机理的研究J.工程热物理学报,2002,23(6):761-763.13 蒋德明 .内燃机燃烧与排放学M.西安:西安交通大学出版社,2001.14 Kamimoto T,Minagawa T,Kobori S. A two-zone model anal-ysis of heat release rate in dies
14、el enginesC. SAE 972959.15尧命发 ,段家修,覃 军,等.双燃料发动机燃烧放热规律分析及燃烧特性研究J.内燃机学报,2002,20(4):313-317.16罗福强 ,梁 昱,汤 东,等.生物制气-柴油双燃料发动机放热规律试验研究J.内燃机学报,2005,23(4):348-351.17孙济美 ,郭孔辉,高 青,等.X6130 柴油天然气双燃料发动机性能试验研究J. 天然气汽车信息,1997(4):4-8.18MATTHEWS R D,CHIU J,ZHENG J, et al.The Texas Project: Part 1: Em issions and Fuel
15、 Economy of Aftermarket CNG and LPG Conversions of Light-Duty VehiclesC .SAE Paper 96209819 CHIU James,MATTHEWS Ronald.The Texas Project:Part2: Control System Characteristics of Aftermarket CNG and LPG Conversions of Light-Duty VehiclesC .SAE Paper 96209920 REISS O Richard,BURKMYREW illiam M, LANIGA
16、N James W. Techanical Highlights of the Dodge Compressed Natural Gas Ram Van /W agon C . SAE Paper 92155121 HODG INS K Bruce, GUNAWAN Hardi, HILL Phillip G. Intensifier-Injector for Natural Gas Fueling of Diesel EnginesC .SAE Paper 92155322 ISHIDA M, CHEN Z L, LUO G F, et al. The Effect of Pilot Inj
17、ection on Combustion in a Turbocharged D. I. Diesel EnginesC .SAE Paper 94169423 SMART Ian A.Natural Gas as a Dual Fuel in M arine EngineAn Operational StudyC .SAE Paper 9116623、计划进度2014.12.302015.01.03 完成开题报告选题并进行资料搜集2015.01.042015.01.07 填写开题报告2015.01.082015.01.15 指导教师指导开题报告的修改并完成开题报告2015.01.16 指导教师签字，上交开题报告2015.01.172015.01.25 进行开题报告答辩2015.01.262015.03.01 根据开题报告撰写论文初稿2015.03.012015.04.01 指导教师指导论文修改，并完成论文2015.04.012015.05.02 进行论文答辩4、指导教师意见：指导教师签名：年 月 日5、答辩小组意见：组长签名：年 月 日
