CNG发动机燃烧氢气燃料的性能模拟计算

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1、前言内燃机问世一百多年来，人们为了研制出既经济又环保的发动机做了不懈的努力，取得了巨大的成就。目前汽车的能源消费占世界能源消费总量的四分之一，未来几十年内汽车的数量还会继续增加。现在世界的石油消耗量逐年提高，必将导致石油资源的短缺。另外以石油为原料制得的汽油和柴油在燃烧时会产生CO，HC和CO2，对人类生存的环境造成了极大的危害。现在人们已经成功地将氢、液化石油气(LPG)、压缩天然气(CNG)、乙醇、二甲醚等代用燃料应用到了发动机上。氢燃料的性能优于碳氢燃料。同矿物燃料相比，氢具有发热量大．火焰传播速度快、着火界限宽、点火能量小等优点；氢造成的污染小。氢在空气中燃烧产

2、生水和极微量的一氧化氮。鉴于以上优点，氢被认为是最具前景的汽车发动机代用燃料。氢作为发动机燃料主要有两种形式：一种是通过氢的离子化转化成电能，通过燃料电池实现；另一种是通过氢的燃烧从化学能转化成机械能，由内燃机实现。燃料电池与传统内燃机相比有着明显的优势，体现在：燃料电池的生成物是水，接近于零排放；不受卡诺循环效率的限制，能量转换效率高；燃料电池中没有运动部件，噪声明显低于传统内燃机；过载能力强，设计方便，但燃料电池的价格昂贵，基础设施及维护人员缺乏等问题制约了燃料电池的产业化。相对于燃料电池，氢内燃机更容易实现。传统的汽油机不作大的改动就可以燃烧氢气，且氢气各项性能优

3、越，因此氢内燃机备受科学家们的青睐。在国内外许多专家都对氢气发动机进行了研究，在国外，福特公司在压缩比分别为10，12．5，14．5，15．3的FordP2000的氢内燃机上进行了性能实验。最大转矩主要受压缩比、点火时刻、充量系数和发动机转速影响，但早燃限制了转矩的增加。采用节流和降低压缩比可适当增大当量空燃比，但由此带来的转矩减少比空燃比增大带来的转矩增加要大。中低转速时，氢内燃机(压缩比为14．5)转矩比汽油机小35％，大负荷时早燃严重，转矩比汽油机小50％。NO排放受当量空燃比影响很大，大于0．5时NO排放急剧增加。国内，我国氢内燃机的研究始于2O世纪8O年代初。

4、浙江大学、天津大学、吉林工业大学、包头冶金研究院、北京有色金属研究所、北京石油大学都先后进行过汽油掺烧氢的研究。天津大学、天津内燃机研究所及内燃机燃烧学国家重点实验室的研究显示通过喷水和废弃再循环可以有效地抑制氢内燃机的异常燃烧；吉林工业大学内燃机研究所在汽油掺烧氢的研究中发现这样可同时提高发动机性能及降低废气排放。上海交通大学进行了燃氢发动机稳态工作过程模拟及有害物排放方面的研究。分别以汽油机和涡轮增压柴油机为原型建立了氢发动机模型，编制了计算机数学模拟程序，分析了缸内参数及工作参数对发动机性能的影响，针对氢内燃机的回火问题设计了喷氢阀和控制系统，分析了氢内燃机的异常

5、燃烧和NO排放。本设计的研究课题是CNG发动机燃烧H2燃料的性能模拟计算，结合科研的专题研究。文章第1章是绪论，讲述了汽车发动机的代用燃料及其燃烧特点、氢气发动机的研究现状氢气发动机的前进分析。第2章简述了CNG发动机模型以及该模型所用到的AVLBOOST理论知识，为后面的模型校核和燃烧分析奠定理论基础。第3章是CNG发动机模型的校对，根据已知的试验数据来对两个工况下（1200、2000）的CNG发动机进行校核，模型校对后说明CNG发动机的性能，方便后面与燃烧氢气作为比较。第4章是CNG发动机燃烧氢气性能测试，并燃烧天然气比较。第5章讲述了氢气发动机的点火提前角和过量空

6、气系数的调节规律，在不同的过量空气系数的情况下（1.0、1.2、1.5、2.0、2.5）改变点火提前角，通过AVLBOOST模拟计算，求得最高的热效率点，此时的点火提前角便是最佳点火提前角。通过本题的研究，让我收获许多。在此过程中，我通过图书馆、教科书、网络等资源查阅了许多与之相关的文献，让我了解更多，视野更加广阔。对以往的专业知识也有所巩固。基本学会应用AVLBOOST软件，熟悉界面，了解到它的应用范围，相信这对我以后的工作有所帮助。由于本人知识有限，在本次设计中，错误在所难免，欢迎各位读者批评指正。目　录中文摘要………………………………………………………………………

7、……Ⅰ英文摘要……………………………………………………………………………Ⅱ第1章绪论…………………………………………………………………………11.1引言……………………………………………………………………………11.2代用燃料………………………………………………………………………11.2.1天然气与石油气…………………………………………………………11.2.2醇类燃料…………………………………………………………………21.2.3二甲醚……………………………………………………………………21.2.4植物油………………………………………………