1、研究天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)新型燃燒技術(shù)，提高其熱效率并降低排放一直是行業(yè)內(nèi)研究的重點(diǎn)。缸內(nèi)高壓直噴具有高效率和低排放的雙重優(yōu)勢(shì)，被視為最先進(jìn)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)之一。因此，對(duì)高壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究受到越來越多的關(guān)注。高壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)以天然氣為主燃料、柴油為引燃燃料，燃燒過程中涉及兩種燃料噴束的混合問題和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，其噴射參數(shù)的控制和優(yōu)化方式的選擇與傳統(tǒng)柴油機(jī)、天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)均有所不同，針對(duì)該技術(shù)的研究十分有限。因此，研究高壓直噴天然氣發(fā)

2、動(dòng)機(jī)噴射策略對(duì)燃燒過程及排放的影響、燃燒噪聲的來源和控制方法以及化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的構(gòu)建具有重要的理論價(jià)值。
　　本文以高壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)測(cè)試、信號(hào)分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，從理論上分析了噴射參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程、排放、經(jīng)濟(jì)性和燃燒噪聲的影響，建立了表征燃料化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理和發(fā)動(dòng)機(jī)三維仿真模型，并應(yīng)用所建立的模型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的優(yōu)化策略進(jìn)行了探索，主要研究工作及取得的成果如下:
　　1.搭建了高壓直噴天

3、然氣發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架，并采用控制變量法研究了不同噴射參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒、排放和經(jīng)濟(jì)性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)于高壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，增大天然氣噴射提前角、提高噴射壓力、減小柴油天然氣噴射間隔和減小柴油噴射脈寬均有利于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒相位的提前和經(jīng)濟(jì)性的改善;NOx的主要控制措旋為推遲天然氣噴射、降低噴射壓力、增大柴油天然氣噴射間隔及增加柴油噴射脈寬;HC的主要控制措施為將較小天然氣噴射提前角和較高噴射壓力搭配使用及增加柴油噴射脈寬;CO和碳煙的主

4、要控制措施為采取較小的天然氣噴射提前角并搭配較低的噴射壓力，減小柴油天然氣噴射間隔及縮短柴油噴射脈寬。
　　2.采用壓力分解、傅里葉變換和維格納威爾分布等方法提取并分析了缸內(nèi)壓力信號(hào)的信息，得到燃燒壓力一階、二階壓力升高率曲線，燃燒壓力和燃燒壓力震蕩壓力級(jí)曲線及燃燒壓力震蕩時(shí)頻能量譜分布圖，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的大小進(jìn)行預(yù)測(cè)和衡量。分析結(jié)果表明:高壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒噪聲主要來自于主燃料天然氣的燃燒，燃燒壓力一階壓力

5、升高率對(duì)燃燒噪聲的影響大于燃燒壓力震蕩能量。降低燃燒噪聲的有效措施包括推遲天然氣噴射、降低噴射壓力、適當(dāng)增加柴油天然氣噴射間隔以及增大柴油噴射脈寬。
　　3.基于DRGEP和反應(yīng)路徑分析等機(jī)理簡(jiǎn)化和構(gòu)建方法，采用從小分子到大分子的階級(jí)式機(jī)理搭建方式，構(gòu)建了一個(gè)新的正庚烷/甲苯/甲烷/PAH化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理。并將此機(jī)理與12步NOx機(jī)理耦合，開發(fā)出包含84種組分和336個(gè)反應(yīng)步的適用于高壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放高效仿真的集成機(jī)理。

6、該機(jī)理可較為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)每種表征燃料的滯燃期、層流火焰速度以及表征燃料火焰中關(guān)鍵組分濃度特別是碳煙前驅(qū)物濃度等關(guān)鍵參數(shù)。
　　4.將所構(gòu)建的正庚烷/甲苯/甲烷/PAH化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理與RANS湍流模型、修正的KH-RT噴霧模型、現(xiàn)象學(xué)碳煙模型耦合，建立了高壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的三維工作過程仿真模型。通過對(duì)不同噴射壓力下模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可知，三維工作過程模型對(duì)高壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的缸壓、NOx、CO以及碳煙的仿真精度高，表明其對(duì)燃燒

7、和排放的預(yù)測(cè)結(jié)果均較為可靠。
　　5.基于所建立的高壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)三維工作過程仿真模型的數(shù)值研究結(jié)果、零維反應(yīng)敏感性分析及一維層流火焰反應(yīng)生成率分析，對(duì)天然氣摻氫、天然氣主-后噴噴射策略以及EGR率對(duì)高壓直噴天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒及排放的影響進(jìn)行了數(shù)值研究。研究結(jié)果表明:OH和H活性自由基的濃度變化可以用來指示燃燒進(jìn)程，HO2自由基可以作為柴油著火趨勢(shì)的指示物，HO2自由基的濃度大小可以用來指示同一燃燒過程中放熱的快慢;天然氣摻氫可

8、以實(shí)現(xiàn)CO、碳煙排放的降低和指示熱效率的升高，但會(huì)導(dǎo)致NOx排放的惡化;采用合適的天然氣主-后噴噴射間隔可以在一定程度上改善發(fā)動(dòng)機(jī)的指示熱效率，但過大的天然氣主-后噴噴射間隔會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)指示熱效率的降低;對(duì)于本文中的試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)，將大于14℃A的天然氣主-后噴噴射間隔與大于10％的天然氣后噴比例相結(jié)合可以達(dá)到較好的碳煙和CO減排效果，但是隨著天然氣后噴比例的增加，NOx排放逐步增加;EGR的主要作用在于NOx排放的控制，20％以下的EGR