CNG发动机TWC甲烷起燃特性试验与仿真研究

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1、天津大学硕士学位论文CNG发动机TWC甲烷起燃特性试验与仿真研究ExperimentalandSimulationResearchontheLight-offPerformanceofMethaneforTWCofCNGEngine学科专业：动力工程研究生：汪昊指导教师：李志军教授企业导师：李军高级工程师天津大学机械工程学院2017年12月摘要伴随我国能源和环境的问题的日渐凸显，节能和减排已成为我国制定方针政策时所必须要考虑的战略问题，而内燃机工业的发展自然也离不开“节能、减排”这两大主题的推动。针对改善我国能源结构、降低尾气污染物排放的目标，将天然气应用于汽车动力正是有效方法之一。而我国针

2、对气体燃料点燃式发动机的排放法规也越来越严，未来国Ⅵ排放法规中采用的WHTC(WorldHarmonizedTransientCycle)循环是对车辆冷启动和热启动等工况的排放进行全面考核，且对甲烷的限值更加严苛。因此为满足未来法规要求需采用专用尾气后处理装置，如三元催化器(ThreeWayCatalyst,TWC)。不同于传统汽油机碳氢污染物的排放，在压缩天然气(CompressedNaturalGas,CNG)发动机的排放污染物中，甲烷占了碳氢污染物的主要部分，而且甲烷被氧化催化的难度较大。因此需要使TWC尽早对甲烷起燃，降低发动机实际运行中的甲烷排放。本文基于小样试验，针对CNG发动机

3、专用TWC建立甲烷起燃过程模型，探究不同物理参数下甲烷起燃过程的差异性并分析原因。进一步考虑空燃比波动情况，探究不同空燃比波动相关参数的影响及其规律。同时考虑催化器后市场中的替代使用，提出有关甲烷起燃特性的表征量。首先，本文比较了不同物理参数下甲烷起燃过程的差异性并分析原因。结果表明：在单一变量的情况下，高空速推迟了甲烷起燃和完全转化状态，但空速越高其影响效果变得相对有限；载体开口率需增加到一定程度，其促进甲烷起燃的效果才相对明显；载体孔密度越大，催化剂对甲烷的起燃和达到完全转化状态提前，但孔密度增加到一定程度，其影响变得相对有限；而改变载体壁厚对催化剂甲烷起燃的影响相对有限；针对甲烷起燃过

4、程，壁厚较小的催化器对空速变化的适应性相对更好。此外，本文分析了不同空燃比波动条件和TWC储氧能力对甲烷起燃过程的影响及规律。结果表明：在空燃比波动的一定范围内，空燃比波动振幅的增大会降低甲烷的起燃温度(T50)和完全转化温度(T90)；而空燃比波动的浓燃占空比越大，可相对降低甲烷的T50和T90；空燃比波动的中心由偏稀变为偏浓，可以促进甲烷起燃；TWC的储氧能力越强可减小λ波动的影响；CNG发动机专用TWC工作在微浓的进气条件下有助于甲烷的起燃；同时总结提出将催化器的储氧能力和出口温度作为其甲烷起燃特性的表征量。关键词：压缩天然气发动机，三元催化器，甲烷，起燃特性，物理参数，空燃比波动IA

5、BSTRACTWiththeincreasinglyprominentproblemsoftheenergycrisisandenvironmentpollutioninChina,theenergysavingandemissionreductionneedtobeconsideredwhenChinesegovernmentmakespolicydecisions.Andthedevelopmentoftheinternalcombustionengineindustryisalsoinseparablefromthemajorthemeofenergysavingandemission

6、reduction.Andtheuseofnaturalgasasenginefuelisaneffectivemethodtochangeourcountry’senergystructureandreduceexhaustemissions.AsthefutureChinesesixthemissionstandardhasmorestringentrequirementsforgasengine,theemissionsofgasenginesundercold-startandhot-startconditionsarecomprehensivelyevaluatedunderthe

7、WHTC(WorldHarmonizedTransientCycle)withmorestringentmethaneemissionlimitation.Tomeettherequirementsofemissionregulation,TWC(ThreeWayCatalyst)isoneofthemostefficientequipment.Unlikethehydrocarbonemissionsofg