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当前,大部分运输动力设备都以内燃机为动力源,内燃机无处不在。一方面,世界石油资源日益枯竭,另一方面,某些国家对我国采取越来越明显的遏制政策,我国的石油生命线愈发紧张。发展可替代石油的清洁能源,不仅能降低污染,保护环境,而且对我国有着重要的战略意义。天然气作为当今可替代能源的热点,不仅燃烧产物污染少,而且储量丰富,是一种有发展的资源。本文就天然气替代柴油,利用CONVERGE仿真软件,进行柴油-天然气双燃料发动机工作过程仿真计算,对比分析不同的天然气替代率和不同的喷油策略对发动机燃烧和排放特性的影响,并得到优化方案。针对TBD620柴油机进行仿真建模,包括建立几何模型,网格划分,配置计算参数等,并结合在某工况下的实验数据,完成对仿真结果的标定和网格无关性分析,验证了模型的有效性。同时,对缸内压力、温度、流场、燃料浓度分布等燃烧过程多物理场和SOOT、NOx、HC、CO和CO2等主要排放物的成因及排放情况进行了分析、总结。对经过验证的模型,将部分柴油等热值替换成天然气,开展了柴油-天然气双燃料发动机工作过程仿真计算,根据计算结果并结合纯柴油模式的燃烧情况,分析了天然气替代率分别为50%、60%、70%、80%、90%时,双燃料发动机缸内压力、温度、放热率、燃油浓度分布等燃烧特性。排放性方面,结合纯柴油模式的排放情况,对不同天然气替代率下双燃料发动机NOx、HC、CO和CO2等排放物的成因及排放情况进行了对比分析。结合当前柴油机供油系统的现状,以天然气替代率为60%的工况为基础,开展不同的多喷策略对发动机性能影响的研究,包括在二次喷油策略下,柴油预喷时刻、主喷时刻、预喷油量比重变化和采用不同的三次喷油策略及后喷油量比重变化对发动机燃烧和排放特性的影响。最后,将多喷策略与不同的天然气替代率工况相结合,得到了一个优化的实用性结论。研究表明,天然气替代率增加,会对缸内燃烧产生先改善后恶化的作用,而且在不同的喷油策略下,替代率阀值会发生改变。根据本文研究结果,经过综合考虑,认为在二次喷油策略下,天然气替代率为80%时,不仅能大幅替代柴油燃料,还能维持与原机相近的动力水平,同时排放性也可接受。