1、中 文 摘 要浙江海洋学院航 海 类 专 业 专 题 论 文题 目： 双燃料发动机燃烧特性分析 学 院： 海运与港航建筑工程学院 学生姓名： 朱廷栋 专 业： 轮机工程 班 级： A11 轮机 2 班 指导老师： 董良雄 起止日期： 2015.01.172015.05.20 2015 年 05 月 20 日中 文 摘 要摘 要研 究 了 柴 油 、 天 然 气 双 燃 料 发 动 机 的 燃 烧 特 性 ,并 着 重 分 析 了 引 燃 柴 油 供 给系 统 参 数 对 双 燃 料 发 动 机 燃 烧 特 性 的 影 响 。 以 双 燃 料 发 动 机 的 工 作 原 理 为 基 础首 先 简
2、 要 比 较 了 柴 油 、 天 然 气 双 燃 料 发 动 机 与 柴 油 机 的 燃 烧 特 性 ,并 对 比 了 负荷 对 双 燃 料 发 动 机 燃 烧 特 性 的 影 响 ,然 后 分 析 了 最 小 循 环 喷 油 量 、 引 燃 柴 油 量 、引 燃 油 喷 射 压 力 、 喷 嘴 参 数 及 供 油 提 前 角 等 引 燃 柴 油 供 给 系 统 参 数 对 最 高 爆 发 压力 、 燃 烧 放 热 率 、 着 火 开 始 时 间 、 累 积 燃 烧 放 热 率 等 柴 油 、 天 然 气 双 燃 料 发 动 机燃 烧 特 性 的 影 响 ,并 在 分 析 燃 烧 特 性 的
3、基 础 上 ,提 出 了 改 善 双 燃 料 发 动 机 性 能 的研 究 方 向 。关 键 词 :柴 油 ； 天 然 气 双 燃 料 发 动 机 ； 放 热 规 律 ； 缸 内 温 度 ； 影 响 因 素英 文 摘 要ABSTRACTWe study the combustion characteristics of diesel, natural gas dual fuel engines, and analyzes the influence of system parameters on the ignition of diesel supply dual-fuel engine co
4、mbustion characteristics. In dual fuel engine works based on relatively briefly diesel combustion characteristics of natural gas dual fuel engine and diesel engine, and compared the effect of load on the dual fuel engine combustion characteristics, and then analyzed the minimum cycle fuel injection,
5、 ignition and diesel the amount of lead fuel injection pressure, nozzle parameters and ignited diesel fuel supply advance angle supply system parameters on the maximum explosion pressure, heat release rate, ignition start time, the cumulative heat release rate, diesel, natural gas dual fuel engine c
6、ombustion characteristics influence, and based on the analysis of the combustion characteristics, proposed to improve research dual fuel engine performance.Key words: diesel; natural gas dual fuel engines; heat rules; cylinder temperature; factors目 录目 录引 言 .1第 1 章 绪论 .21.1 国内外研究现状 .21.2 研究目的和意义 .31.
7、3 研究内容 .3第 2 章 双燃料发动机的燃烧特性 .42.1 双燃料发动机的定义 .42.2 双燃料发动机的结构和工作原理 .42.3 双燃料发动机的燃烧特性 .52.3.1 双燃料发动机的特点 .52.3.2 双燃料发动机的燃烧特性与柴油机的区别 .6第 3 章 影响双燃料发动机燃烧性能的因素 .73.1 负荷对双燃料发动机燃烧性能的影响 .73.2 燃油喷射系统对双燃料发动机燃烧性能的影响 .73.2.1 循环供油量对燃烧特性的影响 .73.2.2 喷油压力对燃烧性能的影响 .83.2.3 喷油提前角对燃烧性能的影响 .83.3 替代率对双燃料发动机燃烧性能的影响 .10第 4 章 总
8、结 .11参考文献 .12致 谢 .13双燃料发动机燃烧特性分析0引 言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
9、,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。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，为船东、船公司在船舶营运中控制成本,提供理论指导、建议和帮助。双燃料发动机燃烧特性分析1第 1 章 绪论1.1 国内外研究现状国内双燃料发动机的开发研制工作,正不断向着纵深方向发展。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 1。继“1996 北京国际电动汽车及代用燃料汽车技术
10、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
11、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,国外主要采用压天然气的缸内直喷技术和微引然技术条件下的多点电喷射技术来提高双燃料发动机的性能 5。天然气/柴油双燃料发动机的研
12、究和开发目前存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问题。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。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,如双燃料发动机燃烧特性分析2下几项关键技术是天然气/
13、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 8。1.2 研究目的和意义天然气/柴油双燃料发动机
14、是天然气发动机的一种形式。它具有热效率较高、功率损失小、对原柴油机改动少及使用灵活方便等特点，因此得到了广泛的应用。由于天然气/柴油双燃料发动机既要在双燃料模式下工作，也要能在纯柴油方式下运行，因此天然气/柴油双燃料发动机的改造要同时兼顾两者的性能。为了能够充分发挥天然气/柴油双燃料发动机的优点，本文通过试验对天然气/柴油双燃料发动机燃用纯柴油和天然气时的燃烧特性进行了分析对比，提出自己的观点。1.3 研究内容了解双燃料发动机的定义、结构、工作原理以及燃烧过程。比较双燃料发动机与柴油机稍稍特性的不同。以双燃料发动机的工作原理为依据，去考虑影响双燃料发动燃烧性能的因素，分析这些因素是如何影响双燃
15、料发动机的燃烧过程。最后总结出该如何改进双燃料发动机。双燃料发动机燃烧特性分析3第 2 章 双燃料发动机的燃烧特性2.1 双燃料发动机的定义双燃料发动机以天然气和柴油为燃料,以双燃料模式工作时,以少量的柴油作为引燃油点燃气缸内的天然气和空气的混合气体。其主要优点是在满足排放规定的前提下,具有较高的输出功率,并且在天然气供给不足时,可将工作模式转换为纯柴油工作。2.2 双燃料发动机的结构和工作原理图 2.1 双燃料发动机结构部件Figure 2.1 dual fuel engine structural components 双燃料发动机的主要结构部件有：调压阀、零压阀、天然气执行器、增压器、中
16、冷器、喷油泵等。双燃料发动机的工作原理如下图所示：图 2.2 双燃料发动机的基本工作原理Figure 2.2 The basic operating principle of the dual-fuel engine高压天然气过滤后经过调压阀将高压天然气减压变成接近于大气压力的低压天然气并且保持压力基本稳定。然后通过零压阀和天然气执行器共同控制进入混合气中天然气的流量。经过混合器，其目的是将低压天然气和空气混合输入到发动机的进气口。双燃料发动机燃烧特性分析4当发动机运转时,由于活塞的运动在进气口处产生周期性的负压,混合器根据负压的变化按一定比例吸入的空气和天然气,从而使发动机在整个运行过程中获
17、得最佳性能。混合气体经进入燃烧室，在柴油的引燃下燃烧，未燃烧的废气通过排气系统排出。而设置增压器的目的是为了提高发动机进气量，从而提高发动机的功率和扭矩。双燃料发动机燃料在燃烧室中的燃烧过程和柴油机基本一致，分为四个阶段：（1）滞燃阶段 从喷油开始到点火开始的阶段，在滞燃期中燃料进行着一系列发火前的物理和化学准备。（2）速燃阶段 从气缸内燃油发火燃烧到出现最高压力为止的阶段。速燃期的燃烧速率很难直接用控制该燃烧期燃料与空气混合速度的办法来加以控制，故亦称不可控燃烧期。（3）缓然阶段 从气缸内工质出现最高压力到出现最高温度的阶段该燃烧期的燃烧速度取决于喷入气缸的燃油分子寻找氧分子的速度，故亦称扩
18、散燃烧阶段。（4）后燃阶段后燃期是燃烧过程在膨胀行程中的继续。后燃期的存在使排气温度提高并由此使发动机的热负荷增加，因此后燃现象越短越好。2.3 双燃料发动机的燃烧特性2.3.1 双燃料发动机的特点在分析双燃料发动机燃烧特性及其影响因素之前,我们了解到双燃料发动机具有如下的特点：（1）双燃料发动机点火方式略有不同。使用气体燃料时。与柴油机机火花塞点火方式不同,双燃料发动机的混合气通过喷入燃烧室的少量柴油引燃。这种点火方式具有可靠性高和点火能量大的特点,能提高单缸功率和适应稀燃。（2）天然气/柴油双燃料发动机既可以烧柴油,也可以烧油气的混合燃料。（3）天然气/柴油双燃料机动船可以 CNG 为气源
19、 ,也可以以 LNG 为气源。（4）增加了一套天然气供气(含调压或蒸发)系统。（5）设置天然气控制系统,实现天然气自动控制和油气转换。2.3.2 双燃料发动机的燃烧特性与柴油机的区别柴油、天然气双燃料发动机相对于柴油机的燃烧特性区别在于发动机在双燃料模式下的放热率最大值要明显低于纯柴油模式，开始放热适中，满足柔和燃烧的要求，随后燃烧加快。发动机燃用双燃料时缸内燃烧发展较为平缓，这对于降低发动机的燃双燃料发动机燃烧特性分析5烧噪声是非常有利的。与柴油机相比,双燃料发动机的燃烧特性具有以下特点:(1)低速小负荷时,双燃料发动机的着火开始时间较迟,燃烧速率较慢,燃烧持续期加长,最高爆发压力低,压力升高率低,燃烧噪音小,热效率降低。(2)高速高负荷时,双燃料发动机的着火开始时间较迟,但燃烧速度加快,燃烧持续期与柴油机基本一致,最高爆发压力及压力升高率较低,燃烧噪声随负荷的增大进一步降低,热效率与柴油机基本一致,甚至略高于柴油机的水平。天然气与空气形成的较为均匀的混合气，使得双燃料发动机在燃用双燃料时的燃烧特性与燃用纯柴油时有许多不同。相比之下，双燃料模式下发动机燃烧时的放热规律更加合理；但低速低负荷时，由于混合气浓度过稀，对燃料的燃烧、发动机热效率以及发动机的排放是不利的。
