摘 要

随着能源问题和排放法规的发展，当量燃烧模式代替稀燃模式占据了天然气发动机的主流市场。但是当量燃烧模式点燃式天然气发动机存在热负荷较高的问题，本文针对这一问题利用三维仿真软件CONVERGE对发动机气缸燃烧过程进行了模拟，计算了EGR混合气及其各组成成分对当量燃烧天然气发动机的热负荷控制效果，并对得到的计算结果进行比较，所得结果对于当量燃烧模式天然气发动机热负荷控制策略具有重要意义。

本文研究了各种案例下发动机气缸中的放热率、气缸压力、气缸温度以及甲烷分布的演变过程。研究结果表明：

当量燃烧模式天然气发动机放热率曲线较陡，峰值较高，造成了气缸温度高，热负荷高的问题。

通过在发动机气缸内加入EGR能有效地降低热负荷，并且随着加入气缸EGR率的升高，发动机热负荷降低越明显，5%的EGR率降低缸温峰值170K，10%的EGR率降低缸温峰值340K，15%的EGR率降低缸温峰值500K。

EGR的三种主要成分N₂、CO₂和H₂O都能起到降低发动机热负荷的作用，其中CO₂能力最强，H₂O次之，N₂最弱，并且CO₂降低热负荷的能力远强于其他两种物质，使用CO₂来控制当量燃烧天然气发动机热负荷时，只需使用EGR混合气摩尔量的一半就能达到相同的控制效果。

关键词：当量燃烧，天然气发动机，废气再循环组成成分，热负荷

Abstract

With the development of energy problem and emission regulation, the stoichiometric combustion mode replaces the lean-burn combustion mode to occupy the major market of natural gas engine.However,there is high thermol load Stoichiometric combustion mode igniter natural gas engine, to solve this problem,we use CONVERGE sofetware to simulate the burn inside the engine cylinder,calculate the thermal load control effect of EGR and its components on stoichiometric combustion mode natural gas engine and compare the results. The conclusion is of great significance for the thermal load control strategy of stoichiometric combustion mode natural gas engine.

In this paper, we study the evolution of heat release rate, cylinder pressure, cylinder temperature and methane distribution in engine cylinders.conclusion are as follows:

The curve of heat release rate is steeper and the peak value is higher in the stoichiometric combustion mode natural gas engine, which causes the problems of high cylinder temperature and high heat load.

By adding EGR into the engine cylinder, the thermal load can be effectively reduced. Moreover, with the increase of the EGR rate in the engine cylinder, the reduction of the engine thermal load is more obvious. EGR rate of 5% reduces the cylinder temperature peak 170K, EGR rate of 10% reduces the cylinder temperature peak 340K, and EGR rate of 15% reduces the cylinder temperature peak 500K.

There are three main ingredients of EGR ,N₂, CO₂ and H₂O,all of them have the effect of reducing engine heat load, maximum of CO₂ ,follow by H₂O, N₂ have the weakest ability.In addiyion,CO₂ is far stronger than the other two substances, when used CO₂ to control the heat load of stoichiometric combustion mode natural gas engine, just use half an EGR amount can achieve the same control effect.

Key words: Stoichiometric combustion,Natural gas engine,the composition of EGR,thermol load

目 录

第1章 绪论1

1.1 研究背景1

1.1.1 中国能源问题现状1

1.1.2 能源环境问题应对措施2

1.1.3 天然气发动机的发展4

1.2 EGR技术研究现状6

1.3 课题研究内容及意义7

第2章 三维仿真平台建立8

2.1 仿真分析流程8

2.2 CONVERGE软件介绍8

2.3 发动机模型建立9

2.4 基本控制方程10

2.5 计算模型选择11

2.5.1 湍流模型11

2.5.2 燃烧模型11

2.6 网格划分12

2.7 初始条件及边界条件设定13

2.8 模型可行性验证13

第3章 EGR率对国六天然气发动机热负荷影响分析15

3.1 天然气发动机热负荷问题探索15

3.1.1 计算结果分析15

3.1.2 热负荷问题总结20

3.2 EGR率对热负荷控制研究20

3.2.1 案例设置调整20

3.2.2 计算结果分析21

3.2.3 分析结论总结25

3.3 本章小结25

第4章 EGR各组成成分对发动机热负荷影响分析27

4.1 EGR各组分热负荷控制效果比较27

4.1.1 案例设置调整27

4.1.2 计算结果分析27

4.1.3 分析结论总结31

4.2 CO₂与EGR混合气热负荷控制效果对比31

4.3 本章小结34

第5章 全文总结及工作展望35

5.1 全文总结35

5.2 工作展望35

参考文献36

致谢38

1. 绪论
   1. 研究背景
      1. 中国能源问题现状

在我国现代化建设的过程中，内燃机因为其高热效率、强机动性等优势，在各行各业受到了的广泛关注，奠定了汽车工业、船舶工业等各行各业动力设备发展的基础，给社会带来了巨大的福音，但是，内燃机同样也造成了日益严峻的能源消耗和环境污染问题。内燃机使用的主要是不可再生的石油资源，截止至2018年底，全球石油探明储量仅为17297亿桶，大约只能满足人类继续使用五十年的需求，目前因为石油资源的匮乏，导致了许多国际关系上的隐患，同样也在一定程度上阻碍了现代化的快速发展，而中国的石油资源相对于其他国家来说更是匮乏，如图1.1所示，探明储量仅为35亿吨，是名副其实的乏油国家^[1]。