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LNG技术国内外研究应用现状——液化天然气发动机研究应用


LNG 国内外研究应用现状
游伏兵. 武汉: 游伏兵 LNG“老化”及其对发动机性能影响研究 [D]武汉:武汉 “老化”及其对发动机性能影响研究. 武汉 理工大学硕士学位论文. 理工大学硕士学位论文 2004
1.3.1 各种不同类型的天然气发动机[1] [1]王珂,张幽彤.天然气发动机技术发展研究.车辆与动力技术,2002(4),54-57 一种类型的天然气发动机是通过对柴油机进行相应的改造得到的, 采用压燃式的工作方 式,依靠柴油机引燃。它继承了柴油机高效率的特点,而且具有较好的动力性。这种形式的 天然气发动机通常用于大功率运输车辆上, 通过改变柴油与天然气的比例可作为双燃料发动 机使用。 另一类天然气发动机则采用与汽油机相似的结构, 采用火花塞点燃, 根据其供气方式和 控制技术又可以大致分为 3 种。 第一种系统包含一个与化油器类似的部件, 用于形成混合气, 例如美国底特律柴油机公 司 50G NGV 的预混合供气系统。这种类型的优点是结构简单,价格较低,便于对现有的化 油器式汽油机进行改造。但是由于无法进行闭环控制,难于精确地控制空燃比,因而难于达 到较高的排放控制水平,不能充分发挥天然气改善排放性能的潜力。 第二种系统采用电控单点喷射(SI),并结合氧传感器进行闭环控制以较精确地控制空燃 比, 从而使发动机具有较好的经济性和排放性。 但是由于单点喷射器与废气氧传感器之间有 较长的距离, 因而系统对空燃比的变化相应较迟钝, 难于依靠氧传感器的信号在设定的空燃 比附近实现快速振荡控制, 尤其是在加速和减速时不能迅速响应空燃比的变化, 从而使混合 气在较长的时间过稀或过浓,使这些工况下的排放性能较差,影响了整体排放指标。 第三种是电控多点喷射系统(MI),目前已经有电控多点进气口喷射系统产品。这种系统 可以实现对空燃比按周期和按缸进行控制,具有良好的响应性,能实现精确地爆震控制,从 而可以采用较高的压缩比,因而排放性、动力性和经济性都有很大提高。例如本田公司研制 的天然气发动机采用了在电控燃油喷射系统(PGM-FI)的基础上发展的电控多点气体喷射系 统(PGM-GI),天然气由气体喷射器供到发动机进气门处,发动机的排放值明显降低,CO 和 HC 分别比燃用汽油时下降了 78%和 80%。美国福特公司 1998 年推出的天然气发动机也采 用多点喷射系统.新一代缸内喷射系统也正在接近实用化,例如美国西南研究院(SWRI)开

发的天然气电控缸内直喷(NGDI)系统,采用专用喷气装置通过电子控制实现天然气的缸内 直接喷射,稀薄燃烧,结合催化技术实现发动机超低排放。 1.3.2 提高天然气发动机功率的对策

研究
由于与汽油和柴油相比天然气的能量密度较低, 且天然气大多是以气态形式供应会占用 有效充气体积,因而天然气发动机开发遇到的一个问题是改用天然气后发动机功率的下降, 对此研究者提出各种解决方案。 由于天然气具有很高的辛烷值, 因而可以通过提高压缩比的 办法弥补功率的损失。

应用
例如日本研制的 Nissan AD Van 小型超低污染天然气汽车,采用天然气单一燃料,将压 缩比由原型汽油机的 9.5 提高到 12.8,使发动机功率和扭矩均有较大提高,低速时扭矩与原 机相同,排放结果 NOx 为 0.48g/km,T H C 为 0.07g/km,大大低于其限定值。废气涡 轮增压技术作为提高发动机动力性的有效措施也被广泛采用。 1.3.3 降低天然气发动机排放的措施

应用
目前天然气发动机的排放控制策略主要有两种: 一种是美国和欧洲的一些公司采用的稀燃技术加氧化催化剂方案降低排放。 例如美国康 明斯(CumminsEngine)公司的 B5.9G 电子控制发动机采用稀薄燃烧、闭环空燃比控制,它 是第一个达到 1999 年美国国家环保局(EPA)清洁燃料车队(CFFV)低排放车辆(LEV)标准认证 的天然气发动机,同时也是第一个接受 EPA 和加州空气质量委员会(CARB)认证的 6L 重型 发动机,华盛顿大学则成功地将 GMC3/4-ton 汽车改为 NGV,发动机采用稀燃、双涡轮增 压、双中冷器,使排放性、经济性、动力性都得到提高。 一种则是最低排放策略。如意大利 IVECO 公司选用最低排放策略,即以λ传感器为基 础进行闭环控制, NOx 排放维持在 1g/(kw· 然后利用三元催化剂处理。 将 h), 2000 年 FIAT 研究中心将多点喷射(MPI)运用于 2.8L 和 9.5L 发动机上。这种新一代的 IVECONGV 主 要用于城市公共汽车和公用运输车辆。

研究
天然气发动机的废气再循环(EGR)技术应用也得到了广泛的重视。例如 West Virginia 大

学进行了天然气稀燃和 EGR 研究。美国德州奥斯丁大学(Texas at Austin)针对天然气系统进 行采用 EGR 降低峰值温度、利用排气氧传感器进行闭环控制、采用三元催化装置的研究。 随着天然气发动机技术的不断完善, 天然气发动机的排放在不断地降低。 西南研究院研制的 John Deere 8. 大功率天然气发动机排放已满足加州空气质量协会(CARB)的极低排放标准 1L (ULEV)。

应用
日本本田公司推出了 EIVIC 系列 NGV,在保持原车性能的情况下,其 CO,NOx,THC 排放量比 1997 年美国联邦政府制定的标准低 60 倍,比世界最严格的美国加州 ULEV 标准 低 10 倍。而且在全电子数字控制基础上,对天然气发动机空燃比和进气量的控制愈来愈精 确,控制功能愈来愈丰富和完善。 1.3.4 液化天然气(LNG)发动机的研究

国外应用
美国近 10 年来在 LNG 汽车的开发方面有显著的进展, 美国的 MVE 公司已成为世界上 最大的 LNG 设备设计生产商,这家公司有长期从事低温设备设计生产的经验,可以提供包 括车用气瓶、加气站、大型储存罐、自动加气机和各种真空绝热管在内的全套 LNG 设备。 世界上 90%以上的车用 LNG 气瓶是 MVE 公司的产品, 大部分的 LNG 加气站也是 MVE 制 造的。 美国的各大汽车公司如 Caterpillar, Cummills, Detroit Diesel, JohnDeere, BWM, Ford, Mack,Dodge Gasoli rl,都生产 LNG 发动机,其排放都至少满足美国的低排放标准(LEV), Cummins 的发动机甚至可以满足超低排放标准(ULEV)。 另外, 现在已有 30 多家美国汽车生 产厂商制造 LNG 车辆。日本的 SuzukiMotor,Nisshinbo Industriesl 等多家公司和研究机构已 成功地研制出了 LNG 电控进气道多点喷射发动机应用于微型客车上。

国内应用
1.3.5 国内天然气发动机的研究与应用[2] [2]张笑波,林在犁.液化天然气汽车的开发与应用.汽车研究与开发,2001(3),l0-13 地处河南的中原油田为推广液化天然气车(LNGV)采取了一系列举措, 已建成 LNG 一期 工程, 日产 LNGl5X104Nm3, 同时正在着手一期扩建工程和二期工程, 2005 年以前日产 LNG 能力可提高 10 倍,可以推广 LNG 汽车 20000~30000 辆。2001~2002 年期间,中原油田在 北京、天津、青岛等城市以建 9 座 LNG 加气示范站,并组建了相应的 LNGV 示范车队。力 争在 2~5 年的时间内形成中原 LNGV 网络,带动国内 LNGV 的快速发展[3]。2003 年上海

交通大学自行研制的单一燃料的 LNG 公交汽车已在上海试运行。 [3]杨志毅, 王旭辉, 叶勇等. 车用液化天然气开发及应用. 石油与天然气化工, 2002(6), 59-61

国内研究
LNG 车载燃料系统由 LNG 车用储罐、汽化器、减压调压阀、混合器、控制系统及安全 系统等组成, 下图为中原油田开发的 LNG 车载燃料系统的流程图[4]。 LNG 车用储罐采用双 层金属加真空多层缠绕绝热技术,LNG 储罐的液位、压力由液位压力计计量,液位计为电 容式液位计。LNGV 工作时,车用储罐内的 LNG 在其自身饱和压力(约 0.5 MPa)的驱动下 离开储罐,通过低温截止阀和过流阀进入 LNG 汽化器。汽化器采用发动机冷却水作热源, 由控制系统根据发动机工况调节其汽化量。 汽化后的天然气经减压调压阀后进入发动机混合 器,供汽车使用。



LNGV 车用燃料系统

[4]王彦超, 魏广荣, 姜秀丽等. 液化天然气汽车技术及存在问题探讨. 能源工程. 2003(1), 30-32

曲伟东. 发动机配气相位及凸轮型线优化 机配气相位及凸轮型线优化. 武汉: 曲伟东 重型 LNG 发动机配气相位及凸轮型线优化 [D]武汉:武 武汉 汉理工大学硕士学位论文. 汉理工大学硕士学位论文 2010

国外研究 国外研究
康明斯-西港公司发明的 HPDI 和 CNG-Dl 技术,其中 HPDI(缸内高压直喷)技术采用的 是双阀机构,内阀喷射柴油进行引燃,外阀喷气进行主燃烧,采用这种技术后,相比于原型 柴油机,氮氧化物减少 40~50%,颗粒排放物减少接近 80%,温室气体排放减少 20~25%,

且可以保持热效率和动力性不下降[12]。 CNG-Dl 缸内直喷技术则是利用温度超过 1200℃(保 证点火稳定)的电热塞进行点火,在压缩冲程的末期喷入天然气,混合气体到达电热塞时产 生点火,进行燃烧。使用 CNG-Dl 技术后,颗粒物的排放几乎为零,相比于同型柴油机,温 室气体排放降低 20%,相比于火花塞点火式天然气发动机燃油效率提高 25%。美国底特律 公司生产的型号为 60G 的天然气发动机采用 DDEC 控制系统(提供更精确和完整的发动机控 制)、电控点火、放气阀式涡轮增压器、DDC 闭环控制、缸壁顶部冷却(可降低 100℃左右)、 电子爆燃传感器(防止不良工况的发生)、短的进排气道(更少的能量损失)、稀燃等多项技术, 使天然气发动机的动力性能得到保持,排放性能则得到了很大的提高。另外 MACK 公司生 产的型号为 E7G325、350 的天然气发动机也达到了良好的动力性、经济性和排放性。 [12]刘凯,席跃进.车用天然气发动机关键技术研究与发展.柴油机设计与制造,2008, 15(3):1-4

正是采用了电喷、可变气门升程相位、稀薄燃烧等众多先进技术,使天然气发动机的动 力性得以保持, 经济性得以改善, 排放水平得到提高, 通过结合材料、 工艺等新技术的发展, 天然气发动机将会得到更快更好的发展, 最终发展成天然气发动机与液体燃料发动机达到相 同的性能水平,特别是缸内直喷技术的出现使实现这个目标向前走了一大步[16-19]。 [16] Laurin.J, Bartonicek.L. Bus Natural Gas Engines. MECCA 4/2004,Czech Technical University of Prague,44~48 [17]CorboP, Gambino M, Iannaeane S. Methane Dedicated Catalysts for Heavy-duty Natural Gas Engines.SAE 961087 [18] 林在犁,杨在杰.世界能源状况与车用天然气发动机技术发展.柴油机,2005, 27(4):4-8 [19] Kichiro Kato, Kohei Igarashi, Michihiko Masuda, Katsuji Otsubo, Akio Yasuda and Keiso Takeda. Development of Engine for Natural Gas Vehiele.SAE PaPer1999-01-0574

国外应用
美国的卡特彼勒、康明斯、底特律柴油机、福特、马克等公司都已经生产出 LNG 发动 机, 其排放性都可以满足美国的低排放标准, 同时日本的铃木等公司也开发出了电控多点喷 射 LNG 发动机,并成功应用于微型客车上。加拿大西港公司与康明斯公司合作的 ISXG 型 LNG 发动机在 2003 年时就己经在重卡上进行试运营。在 LNG 生产、储存等设备上,美国

的 MVE 公司独则处于领先地位,是目前世界最大的 LNG 设备生产商,生产的设备包括车 用气瓶、加气站、大型储存罐、自动加气机和各种真空绝热管等在内的全套 LNG 设备,市 场占有率达到 90%以上[23]。 [23] 吴志新,黎苏.液化天然气汽车的研究进展及存在问题.汽车与技术,2001(9):18-20

国内应用
国 内 的 LNG 发 动 机 研 究 主 要 是 集 中 在 玉 柴 、 潍 柴 、 东 风 等 几 大 公 司 , 玉 柴 的 YC6JZ10N-30 型 LNG 发动机已经成功应用于公交车上,潍柴集团则与西港公司、香港培新 公司联合成立了潍柴动力西港新能源发动机有限公司,研究生产重卡方向的 LNG 发动机。

吴端国. 天然气发动机缸内三维数值模拟. 江苏: 吴端国 天然气发动机缸内三维数值模拟 [D]江苏:江苏大学硕士 江苏 学位论文. 学位论文 2010. 6
1.2 天然气发动机的发展 1.2.1 天然气发动机的发展历程

应用
我国 20 世纪 50 年代开始试用天然气汽车, 当时由重庆市率先使用低压气囊供气替代汽 油。四川石油系统从前苏联引进一套 CNG 加气装置,在四川泸州市建设了一座 CNG 加气 站。1988 年四川石油管理局从新西兰引进 CNG 加气装置和 50 辆天然气汽车改装部件。在 四川南充市兴建了 CNG 加气站,很大程度上推进了我国天然气汽车的发展工作,加快了西 南地区和全国天然气汽车产业的启动[10-12]。 [10] 彭建萍. 浅谈 CNG 汽车技术应用前景[J]. 石油与天然气化工, 2004,33(6): 403-404 [11] 彭峻岭,高峰.浅谈车用天然气技术的推广[J].黑龙江交通科技,2004,(8):65-66 [12] 王莉.浅谈我国 CNG 加气站和 CNG 汽车的发展[J].石油规划设计,2003,14(5): 4-5

研究
目前应用的天然气发动机大多是在原有汽油机或者柴油机基础上改装而成的, 主要可分 为以下三种类型:

1)两用燃料发动机。两用燃料技术主要应用在点燃式发动机上。一般是在汽油机的基础 上,保留原有的燃油供给系统,另外加装一套气体燃料供给系统,这样发动机工作时既可以 燃用汽油,也可以燃用天然气,但发动机工作时只能用一种燃料。 2)双燃料发动机。双燃料技术主要应用在压燃式发动机上,发动机工作时要使用两种燃 料,天然气由少量喷入的柴油压燃后引燃。根据引燃柴油量的多少,双燃料发动机又分为常 规双燃料发动机和 “微引燃” 天然气发动机[13]。 美国 BKM 公司研制了具有先进水平的 “微 引燃"双燃料系统,用接近 1%的柴油引燃天然气,为了降低小负荷时的未燃碳氢排放,提 高天然气的替代率,该系统采用了断缸、增压空气旁路、废气再循环以及优化引燃柴油的喷 射正时等措施, 实现发动机在所有工况范围内, 天然气的燃料消耗量占燃料总量的比率超过 95%。然而,双燃料发动机很难兼顾不同负荷下的性能,在中等负荷以上时,双燃料发动机 可获得较好的性能, 燃料经济性可接近柴油机; 但在小负荷下, 由于混合气过稀, 燃烧恶化, 大量的不完全燃烧产物随废气排出,使 CO 及 HC 排放大大增加,同时热效率也下降[14]。 [13] 林在梨,杨学杰.世界能源状况及车用天然气发动机技术发展.柴油机.2005,4: 4-8 [14] eaver C S,Tumer S H. Dual Fuel Natural Gas Diesal Engines: Technology, Performance and Emissions.SAE Paper 940548,1994 3)单燃料发动机。单燃料发动机是指仅使用天然气作燃料的发动机。这样就完全可以根 据天然气的燃料特性进行发动机的结构优化和设计, 包括合理地选择压缩比、 合理地改善燃 烧室的结构、 优化点火控制方式并提高点火能量及采用增压技术、 采用合理的喷射方式等措 施,改善天然气的燃烧过程,最终使发动机获得更好的动力性、经济性及排放性[15-17]。 [15] 卓斌.天然气发动机燃烧特征与功率恢复.车用发动机.1999(1):11-17 [16] 赵作志. 恢复天然气发动机机动性能的分析研究. 四川工业学院学报, 2000. 19(4): 14-18 [17] H.Gao, O.A.Ezekoye, M.J.Hall and R.D.atthews. A New Ignitior for Large-Bore Natural Gas Engines-Railplug Design Improvement and Optimization.SAE 2005-014-0249.2005

1.2.2 天然气发动机技术现状及发展趋势

研究
直到近十年, 世界天然气汽车技术才进入了快速发展的轨道, 天然气发动机性能有了显

著提高,从燃气汽车燃料供给控制技术的发展来看,大致经历了第一代技术、第二代技术、 第三代技术、第四代技术共四个阶段[13]: [13] 林在梨,杨学杰.世界能源状况及车用天然气发动机技术发展.柴油机.2005,4: 4-8 第一代技术对应于汽车化油器技术, 它在不改变汽车原有燃烧系统的前提下, 加装了一 套燃气供给系统,它无电控系统和尾气后处理装置。其主要目的是以气代油,节约能源。这 一时期的技术研究主要是解决车辆的驾驶性能,如起动性、运行可靠性等等,尽量缩小与液 体燃料发动机的各种性能差距,特别是动力性差距。 第二代技术是在第一阶段的基础上, 采用闭环电控技术, 根据安装在三元催化器前的氧 传感器的信号,再加上其他传感器(发动机转速、节气门位置、水温等)信号,通过 ECU 控 制供给发动机的燃气量, 使发动机空燃比保持在理论空燃比附近以充分发挥三元催化器的效 率。这个阶段的主要目的是解决汽车尾气排放污染问题。由于天然气汽车比汽油车、柴油车 的排放污染少,许多国家都大力推广天然气汽车。技术上主要是进一步降低有害排放物。 第三代技术对应用于汽油闭环电控喷射技术、 单点与多点电喷射技术、 进气道喷射技术。 在车用天然气发动机上采用了理论空燃比反馈控制等技术, 例如福特汽车公司开发的电控喷 射单一燃料 CNG 轿车、以及单一燃料 CNG 卡车,使车用天然气发动机效率、经济性、排 放性和动力性都有极大的提高,车用天然气发动机技术发生了质的飞跃。 第四代技术为天然气缸内直接喷射技术, 由于混合气的形成方式不同, 第四代技术比前 三代有了本质的提高。 天然气缸内直喷发动机是在进气门关闭后将天然气喷入气缸内, 用电 火花使混合气点火燃烧。 燃烧过程主要依靠火焰传播进行, 缸内的燃料与空气并未混合均匀, 燃料边扩散边燃烧,可避免容积效率损失[19],并且通过混合气质调节的方式适应发动机负 荷的变化,可以改善传统天然气发动机在中低负荷时性能不良的情况[20];天然气火焰温度 低,总的实际空燃比大于理论空燃比,从而在整体上可以降低 NOx 的排放;由于天然气以 扩散分层稀薄燃烧为主,氧含量充足,所以可降低 CO 和 HC 的排放[21-22]。 [19] Rousseau S, Lemoult B, Tazerout M. Combustion characteristics of natural gas in a ban burn spark-ignition engine[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,1999, 213(D5):481-489 [20] Aesoy Vilmar, Valland harald Influence of Natural Gas Composition on Ignition in a Direct Injection Gas Engine Using Hot Surface Assisted Compression Ignition[C].SAE SPl208: 23-31,10

[21] 宋钧,张武,高黄震.天然气发动机混合气形成与燃烧特点及性能评述[J].柴油 机,2002,3:16-20 [22] M L W'dli, B G Richards. Design and Development of a Direct Injection Natural Gas Engine[J]Journal of Engineering for Gas Turbines and Power of ASME,Oct,1995,V01.117

图 典型的 GDI 直喷系统 典型的 GDI 发动机系统如图 1-1 所示。典型的 GDI 燃烧系统的共同特点是喷油器安装 在进气侧的双进气道中间下方.以 30 多度的角度斜向下喷射。喷油在压缩冲程后期进行, 此时活塞已上行到一定位置。 喷雾受到在活塞顶部凸起所形成的壁面的阻挡后在气缸中部形 成含油混合气区, 被置于缸盖中央的火花塞点燃。 阻挡喷雾的壁面常为活塞顶部凹坑的侧面, 其 t 部超过缸盖平面,延伸到燃烧室中。喷油器安装在温度较低的进气侧有助于避免喷油孔 被沉积物堵塞。

国内研究
西安交通大学黄佐华等近年来在天然气直喷发动机方面做了许多基础性的研究工作。 他 们对直喷发动机的燃烧、喷射特性等进行了试验研究和分析,取得了大量的成果。如:不同 喷射时刻缸内直喷天然气燃料特性、 天然气直喷发动机燃烧效率分析、 点火位置对天然气直 喷超稀燃烧的影响、燃气喷射正时对天然气直喷发动机性能的影响等基础性研究[23-24]。 [23] 刘亮欣,华,蒋德明等.不同喷射时刻下缸内直喷天然气发动机的燃烧特性[J].内 燃机学报,2005,23(5):469-473 [24] 黄佐华,曾科,杨中乐.用快速压缩装置研究直喷天然气发动机排放特性[J].燃 烧科学与技术,2002,8(3):242-247 吉林大学,袁兆成、林学东等通过在气缸盖上位置上设置 2 个火花塞进行双点点火,在

气缸项上设置 2 个喷射器, 将天然气燃料按设定的喷射方式和时刻直接喷入气缸, 各火花塞 的点火时刻由控制装置任意调整。 试验表明: 通过对两个喷射器喷射方式及喷射时刻的控制, 可改善气缸内特别是火花塞附近的混合气浓度梯度的分布, 实现分层燃烧, 有利于控制发动 机放热规律及 NOx 的排放特性[25]。 [25] 张振东,郭辉,孙嗣炎,方祖华.缸内直喷天然气发动机控制系统研究[J].内燃 机工程,2004,25(6):23-26

总结
电控喷气技术(特别是电控高压缸内直喷技术)、进气增压技术、可变配气相位技术,稀 薄燃烧技术, 新型催化剂和催化技术等许多关键技术都需要亟待解决。 这些问题可以归纳为 如下两个方面的研究:一方面需要对天然气直喷发动机工作过程及发动机结构进行深入研 究;另一方面,必须对天然气直喷发动机电子控制系统进行深入研究。

研究发展
1.3 天然气发动机燃烧过程模拟研究现状 长期以来,试验是研究内燃机工作过程的主要手段,但是限于试验条件、测试手段、试 验仪器的发展水平和精度,这种试验研究有很大的局限性;此外,通过试验得出的结论,往 往缺乏对发动机缸内流动及燃烧过程微观层面的研究, 不能有效地利用缸内的工作机理加快 发动机的研究与开发。60 年代以来,随着电子计算机的出现和广泛采用,相关基础理论(包 括计算流体力学、计算传热学、化学动力学等)研究地深入,使数值模拟成为研究内燃机工 作过程的又一有效手段,与试验研究相辅相成。到本世纪 70 年代,随着高速大容量计算机 的出现,计算流体力学(CFD)、计算传热学等理论和技术得到快速发展,这些条件的成熟使 得对内燃机的性能进行详尽的分析和预测成为可能。 总结起来, 内燃机仿真技术自诞生至今 经历了以下三个阶段[26]。 [26] J.N.马塔维, C.A.阿曼.内燃机燃烧模拟(刘巽俊).北京:机械工业出版社,1987

1.3.1 热力学零维模 零维模型假定气缸内工质均匀分布, 各种热力学参数和热物性参数处处相等, 即随时处 于热力学平衡状态。 零维模型主要用于根据已知的示功图计算放热规律用经验的放热规律预 测示功图两方面,但它无法描述喷雾、油滴蒸发、混合、卷及工质运动等重要物理过程以及

非均匀温度场对有害排放产物的影响。 1.3.2 准维模型 准维模型是目前研究的比较多的一宗模型,它诞生于 70 年代,其发展的直接原因是排 放的限制。准维模型是在热力学模型的基础上考虑喷雾及火焰传播等物理过程的长度尺度, 考虑了缸内的非均匀性,并对缸内湍流的影响进行了考虑。引入了湍流的特征参数,如湍流 强度、湍流积分长度、Taylor 微尺度和 Kolmogorov 尺度,并把它们同发动机的结构参数及 运转参数联系起来,使之可以用来预测结构,及运转参数改变以后的燃烧特性。这类模型的 基础是试验观测,部分物理特性的猜测或数学简化。 对汽油机准维燃烧模型来说,一种方法是把燃烧过程模拟成一个面积为 Af 的火焰前锋 面,以湍流燃烧速度向未燃混合气传播。另一种方法是由 N.C.Blizard 等提出来的,并由 R.J.Tabaczynski 等加以发展的模拟方法。他们根据湍流卷入机理,先将未燃的混合气卷 入火焰前锋,接着是一个特征长度尺度的层流燃烧过程,以次模拟火焰传播过程。 1.3.3 多维模型 多维模型避免了准维模型的缺点, 它对过程的描述不再是从现象出发, 而是建立在流体 力学、热力学、燃烧化学等普遍定律的基础上。CFD(Computational Fluid Dynamics)使用的 方法是:针对所要研究的问题,首先抽象出代表流场的物理模型,然后运用数学工具形成微 分控制方程,将被研究空间离散到一系列的网格节点上,最后求解离散点处的物理量数值。 内燃机的工作过程多维数值模拟就是采用上述 CFD 方法对内燃机中的湍流流动、喷雾、混 合、传热、传质、燃烧和排放等过程进行模拟[27-28]。多维模型通过求解质量守恒方程、动 量守恒方程、 连续性方程及状态方程等基本偏微分方程, 得出与燃烧过程相关的较详尽的信 息,如气相场速度、温度、压力及组成浓度的瞬态空间分布。 [27] 崔淑华,胡亚楠.CFD 在发动机数值模拟中的应用.中国科技论文在线 [28] 许元默,帅石金,王燕军等.发动机缸内数值模拟现状及发展方向.小型内燃机 与摩托车.2002.31(5):36-41

国外仿真研究
随着天然气发动机的发展, 为了清晰地了解天然气在缸内的燃烧变化历程, 国内外许多 学者将 CFD 技术应用于天然气发动机工作过程的仿真研究,并得到了一些有价值的结论。 加拿大 Westport 公司首先研制出 CNG 缸内直喷发动机,与常见的缸外混合 CNG 发动机不 同的是该发动机将空气吸入和 CNG 喷射分开进行,先将纯净空气吸入气缸,在接近压缩行

程上止点时将 CNG 以高压喷入气缸,借助 1300℃的电热塞使天然气压缩,保持了柴油机效 率搞的特色, 燃烧效率比传统火花点燃式 CNG 发动机提高 25%, 实现了真正意义上的 CNG 发动机的狄赛尔循环。美国 Wisconsin-Madison 大学的 Song-Chamg Kong,RolfD.Reitz 和 北京理工大学的张幽彤采用 KIVA 在一台柴油机上模拟柴油和天然气双燃料的燃烧过程, 结 果表明, 直接喷射的天然气燃烧模式比起柴油引燃的模式的放热速度慢, 但是直接喷射方式 更容易对燃烧过程进行控制,喷入的柴油量、柴油和天然气的喷射正时、燃油的喷射率形状 对双燃料发动机的燃烧和排放具有一定的影响[29]。 [29] Youtong Zhang, Song-Chamg Kong, Roll D.Reitz.Modeling and Simulation of a Dual Fuel(Diesel/Natural Gas)Engine With Multidimensional CFD.SAE Paper 2003-01-0755 日本研制的 NissanAD Van 小型超低污染天然气汽车,采用天然气单一燃料,将压缩比 由原型汽油机的 9.5 提高到 12.8,使发动机功率和转矩均有较大提高,低速时转矩与原 机相同,排放结果低于其限定值。而日本另外一种以 4BEI 型直喷式柴油机为基础改装的天 然气发动机,将燃烧室容积增大,采用特殊形状的燃烧室产生强滚流,控制滚流形状以实现 良好的燃烧, 从而得到高于原柴油机的功率; 同时通过采用空燃比控制和三元催化剂作为降 低排放的措旌,达到了采用同样措施的汽油机的排放水平。 美国西南研究院开发的天然气电控缸内直喷(NGDI)系统,采用专用喷气装置,通过电 子控制实现天然气的缸内直接喷射和稀薄燃烧, 结合发动机催化技术, 以实现发动机超低排 放。研制的 John Deere8.1L 大功率天然气发动机排放已经满足加州空气质量协会(CARB) 的极低排放标准(ULEV)。

国内仿真研究
国内, 内燃机工作者在消化和吸收了国外先进的数学模型、 数值计算方法和计算程序的 基础上, 开发出许多适合电脑的内燃机工作过程数值模拟程序。 如北京理工大学开发的三维 内燃机工作过程通用程序 RES3C-II;中国科学技术大学火灾科学院重点实验室开发的计算 直喷式柴油机螺旋进气道与缸内空气的大型微机化程序 IPIC-CFD;同济大学、江苏大学开 发的涡流式柴油机工作过程的三维模拟程序 Engine-II;吉林大学开发的微机版内燃机缸内 多维气流运动模拟程序 SUN-1 等。 国内在天然气发动机的仿真方面也做了许多工作。华中科技大学的韩健等人以 Volvo TDl00 发动机为原型,利用 CFD 软件 FLUENT 对天然气的 HCCI 发动机的燃烧和排放物的 生成过程进行了模拟计算,并得到如下的结论:缸内 HC 和 CO 排放主要来自狭缝的未燃燃

油,壁面温度对其影响很大,天然气 HCCI 的稀薄燃烧可以得到极低的 NOx 排放[30]。西安 交通大学, 以黄佐华为主的研究团队近年来在天然气直喷发动机方面做了很多基础性的研究 工作。 他们利用快速压缩装置对直喷天然气发动机的燃烧、 喷施特性等进行了试验研究和分 析。取得了大量的成果。如:天然气直喷发动机燃烧效率分析、不同喷射时刻缸内直喷天然 气的燃烧特性、 点火位置对天然气直喷超稀燃烧效率的影响、 燃气喷射正时对天然气直喷发 动机性能的影响等基础性研究。吉林大学的窦慧莉采用 STAR-CD 对电控喷射稀燃天然气发 动机的混合气形成和燃烧过程进行了数值模拟, 得出以下结论: 缩口形燃烧室可以加强局部 湍流,提高燃烧速度,适当推迟天然气的喷气时刻,可以使点火时刻前,缸内混合气浓度分 布由逆分层逐渐变为自上而下由浓到稀的弱分层, 使火花塞处的混合气较浓而提高点火能力 和初期火焰的稳定性[31];此外,武汉理工大学、山东大学等也在天然气发动机进气流动和 燃烧仿真方面取得了一定的进展[32-35]。 [30] 韩建,郎静.天然气 HCCI 发动机燃烧和排放的 CFD 研究.拖拉机与农用运输 车.2006(10):24-27 [31] 窦慧莉.电控喷射稀燃天然气发动机的关键技术研究.吉林大学博士学位论 文.2006.6 [32] 汪国华,张宏飞,顾善愚.CNG 发动机缸内燃烧计算分析.中国内燃机学会内燃 机高新技术发展研讨会.2003, 8:252-257 [33] 张小芹,蒋勇.燃烧室内空气运动三维数值模拟.山东内燃机.2002(1):7-11, 19 [34] 王海刚,陈石,刘石.内燃机进气道和缸内三维流场数值模拟.工程热物理学 报.20029(3):312-314 [35] 温苗苗.CNG 发动机工作过程数值模拟.武汉理工大学硕士学位论文.2004.11

黎辉. 天然气作为汽车燃料的利用形式评价指标体系研究 指标体系研究. 黎辉 天然气作为汽车燃料的利用形式评价指标体系研究 [D]成 成 都:西华大学硕士学位论文. 2009. 5 西华大学硕士学位论文
1.2 国内外 LNGV 研究现状 1.2.1 国外研究现状

国外研究
LNG 发动机的研究起步较晚, 美国在 LNG 的应用方面暂时处于领先地位。 美国的 MVE

公司[2]、Snyder 储罐公司[3]和德国的 Messer 公司己成功研制出车用 LNG 储罐。其普遍的 特点是,LNG 储罐均采用双层压力容器结构,容器中间裹有多层绝热材料,并抽至真空(超 级绝热),内层容器的最大工作压力为 1.59 MPa,标准工作压力范围为 0.34-1.03MPa。 [2] Mike Brezonick. MVE seeks to make economic case for LNG in heavy-duty trucks; New tanks,fuel stations aim to make fuel ‘‘transparent’’ to diesel.Diesel Progress Engines&Drives, 1996.62(2):48-51 [3] Emissions&alternative fuels—California backs off electric vehicle…New LNG tank system from Snyder..7th annual Austin alternative fuels fair; Diesel Progress Engines&Drives v62 Mar 1996

虽然真空多层绝热是当前性能最好的形式, 但其有两大缺点, 即价格昂贵以及实际绝热 性能与理论预测性能相差较大。于是德国的 Ulrich Bunger 和挪威的 GeirOwren[4]提出采用 真空粉末绝热形式, 但其最大的缺点就是低温液体的保持时间不长, 必须进一步研究更好的 绝热粉末材料。K.E.Starling 等人[6]提出了另一种储存天然气的方式,即在 13.78 MPa 的压力下,将天然气溶解在丙烷、丁烷或 LPG 中,能量密度能够达至 UCNG 的 3 倍。 S.M.Aceves 等人考虑到汽车的行程问题,设计了一种绝热高压容器,即能储存液体燃料, 也能储存气体燃料。 [4] Ulrich Burger,Geir Owren,Development potentials for small mobile storage tanks with vacuum powder insulations[J],International Journal of Hydrogen Energy,1998, v23, No.4 [5] K.E.;Ding, E.R; Harwell, J.H; Malinson, Method for improving natural gas energy density at ambient temperatures[J], Energy&Fuels 96 Nov-Decl995 [6] S.M. Aceves; GD. Berry; GD. Rambach, Insulated pressure vessels for hydrogen storage on vehicles[J], International Journal of Hydrogen Energy, 1998. v23, No.7

国外应用
美国的各大汽车公司如 HCummins、Caterpilfar、DetroitDiesel、JohnDeere、Ford、 DodgeGasolin 等, 都生产 LNG 发动机, 其排放都至少满足美国的低排放标准(LEV), Cummins 的发动机甚至可以满足超低排放标准(ULEV)。另外,现在已有 30 多家美国汽车生产厂商制 造 LNG 车辆。美国凤凰城(Phoenix)建设有目前世界上最大的 LNG 汽车燃料加注站,总储

存容量达到 60000 加仑(约 227m3),可为 220 辆公交汽车进行日常的燃料加注。1993 年美国 能源部(US—DOE)在西部地区实施一个州际的清洁运输走廊(ICTC)计划, 沿主要交通干线建 立 LNG 汽车燃料加注站,并形成比较完整的网络,为重型车辆使用 LNG 燃料创造了条件, 彻底改变了大型柴油车冒黑烟的现象。欧洲的梅塞德斯一奔驰公司和 Messer 公司开发了液 化天然气垃圾清运车,该车仅在法兰克福市就投入使用 80 多辆。意大利 G.Miletto 进行了 天然气汽车 OEM 产品开发研究; EzioVolpi 进行了意大利天然气汽车应用推广研究。 日本的 SuzukiMotor、Nisshinboxndustriesl 等多家公司和研究机构已成功地研制出了 LNG 电控进气 道多点喷射发动机应用于微型客车上。

国内研究
1.2.2 国内研究现状 我国自 50 年代开始发展燃气汽车,从 80 年代中后期起,首先在四川进行了 CNGV(压 缩天然气汽车)的试运行。1997 年,国家代用燃料汽车发展协调小组(现为清洁汽车协调领导 小组)成立。我国在 20 世纪 90 年代初才开始进 LNG 汽车研究。1990 年,开封深冷仪器厂、 国家科委、北京市科委和北京焦化厂在北京建成一套小型 LNG 试验装置的同时,研制了一 台 LNG-汽油双燃料汽车,进行了 4000 公里运行试验;1993 年,四川省绵阳市燃气集团公 司、吉林油田分别与中科院低温中心联合研制了一台 LNG-汽油两用燃料汽车,并进行了一 系列的试验;

国内应用
河南中原绿能高科有限责任公司从 1997 年开始致力于 LNG 及 LNG 汽车研究和开发, 目前己达到应用阶段;2002 年 11 月 28 日,北京通州客车总厂技术中心研制出液化天然气 公交车; 河南省濮阳中原油田燃气汽车改装厂于 2002 年 12 月改造生产出我国第一辆液化天 然气汽车, 并开发出了新型 LNG 储气瓶、 LNG 流动加气车, 而且还投资 1 亿多元建成北京、 山东、河南等地的罐装液化天然气的供应。

国内学者研究
上海交通大学曹文胜、鲁雪生等对小型天然气液化流程进行了比较和优选,胡军军、张 武高等进行了液化天然气公交车应用研究。 哈尔滨工业大学谭建宇、 李红艳等以串联双级氮 膨胀循环的天然气液化流程为模型进行了流程的数值模拟计算。 南京工业大学黄琴、 蒋军成 等对液化天然气泄漏扩散模型分析和比较,得出了 F1uent 模拟的实验值最接近实验值的结 论。华南理工大学华贲论述了 LNG 产业链成本及定价策略。西华大学完成了“四川省代用

燃料汽车区域化运行考核与应用技术研究”863 课题工作,何太碧建立了加气站设备技术水 平评价指标体系。


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