瞬态工况天然气发动机燃烧、排放和热力学性能在线检测与量化研究

The application of natural gas vehicle is one of the effective ways to alleviate the energy crisis and reduce the atmospheric haze in China. However, some abnormal combustion phenomena such as combustion deterioration and knock are more likely to occur in natural gas engine especially under transient conditions. Thus, both the potentials of energy saving and emission reduction and the market competitiveness of natural gas vehicle are limited severely. This project is intended to solve the issues which influence the transient performance of natural gas engine. By using the independently developed on-line detection technology for engine transient performance, the on-line and continuous detection for the transient operating process of natural gas engine will be carried out under vehicle driving cycles. On this basis, the diagnostic analysis and quantitative study will be conducted for the transient combustion, emission and thermodynamic performance of natural gas engine, which includes the following parts: 1) The influential mechanisms of in-cylinder combustion and thermodynamic processes of natural gas engine under transient conditions will be researched and the quantitative relations can be obtained. 2) The detailed numerical simulation on the working cycles in which performance deterioration exists will be carried out, and then the causes and influential mechanisms of combustion deterioration and combustion instability under transient conditions will be studied for natural gas engine. 3) The generation mechanisms of main harmful emissions of natural gas engine under transient conditions will be investigated. Based on the above research results, the suggestions for real-time adjusting the operating or control parameters and for improving the transient calibration strategy of natural gas engine will be proposed. The research work will provide the theoretical basis and technical support for improving the transient performance of natural gas engine.

推广天然气汽车是缓解我国能源危机、减少大气雾霾的有效途径之一。然而，在瞬态工况下天然气发动机容易出现失火、爆震等非正常燃烧现象，严重限制了天然气汽车的节能减排潜力和市场竞争力。本项目围绕影响天然气发动机瞬态性能的几个关键问题开展研究。采用前期自行开发的发动机瞬态性能在线检测技术，在道路循环工况下对天然气发动机工作过程进行在线、连续检测，在此基础上对其瞬态燃烧、排放和热力学性能进行诊断分析和量化研究：1）研究瞬态工况天然气发动机缸内燃烧和热力学过程的特征及其影响机理，得到量化关系；2）针对性能恶化的工作循环开展详细模拟，研究瞬态工况天然气发动机燃烧不稳定的诱因和影响机理；3）探索瞬态工况下天然气发动机主要有害排放物的生成机理。根据本项目研究结果，对天然气发动机瞬态运行或控制参数实时调整和瞬态标定策略提出改进方案。本项目的研究工作为改善天然气发动机瞬态性能提供理论依据和技术支撑。

推广天然气汽车是缓解我国能源危机、减少大气雾霾的有效途径之一。然而，在瞬态工况下天然气发动机容易出现失火、爆震等非正常燃烧现象，严重限制了天然气汽车的节能减排潜力和市场竞争力。为解决上述难题，本项目围绕天然气发动机瞬态性能的几个关键科学问题开展研究：1）瞬态工况天然气发动机缸内燃烧和热功转换过程影响机理分解和量化关系；2）瞬态边界条件对天然气发动机缸内燃烧和热功转换过程的耦合影响；3）瞬态工况天然气发动机燃烧不稳定的诱因及其影响机理。本项目采用前期自行开发的发动机瞬态性能在线检测技术，在道路循环工况下对天然气发动机工作过程进行在线、连续检测，在此基础上对其瞬态燃烧、排放和热力学性能进行诊断分析和量化研究，主要研究内容及取得成果概括如下：.（1）建立了天然气发动机燃烧和热力过程的量化分析模型，进一步修正了热力循环效率控制方程；建立了燃烧放热率和热力循环之间的量化关系，解析了热力循环过程的能量损失机理，完善了内燃机不可逆热力学理论。.（2）针对多缸天然气发动机不均匀性开展了系统研究，通过GT-Power软件仿真分析了结构及控制参数对性能和排放各缸不均匀性的影响及贡献程度，发现优化进气管结构及气门正时可降低性能参数不均匀性至10%以下。.（3）选取性能恶化的工作循环开展详细模拟，研究了瞬态工况天然气发动机燃烧不稳定的诱因和影响机理，明确了压缩比对燃烧循环变动的影响规律（在绝大部分工况下，压缩比对COV的影响小于1%），揭示了燃烧循环变动的深层机理与优化方向，进一步提出了优化燃烧室结构改善发动机燃烧稳定性的方法。.（4）提出了一种预测天然气发动机瞬态排放形成过程的新方法，对关键组分的预测精度更高；明确了EGR及喷水策略等先进技术对天然气发动机排放生成特性的影响，最高可降低55.85%的NOx排放，同时维持HC、CO排放处于较低水平。.根据本项目研究结果，对天然气发动机瞬态运行或控制参数实时调整和瞬态标定策略提出改进方案。本项目的研究工作为改善天然气发动机瞬态性能提供理论依据和技术支撑。