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气体燃料对内燃机燃烧过程及排放影响的机理研究

作　者: 钱叶剑
导　师: 左承基
学　校: 合肥工业大学
专　业: 车辆工程
关键词: 煤层气准维双区燃烧模型柴油废气重整掺氢废气再循环三维燃烧模型
分类号: TK431
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着汽车保有量的不断增加和排放法规的日益严格,进一步降低内燃机排放成为当前能源与环境领域的一个重要课题。气体燃料发动机以其优良的排放、良好的经济性以及能部分替代石油资源而受到了空前重视。本文从改善燃烧降低排放的目标出发,重点研究了煤层气和氢气对内燃机燃烧过程和排放性能的影响。根据煤层气的理化性质,将S195柴油机改装成火花点火式煤层气发动机,并详细试验研究了煤层气组分变化对发动机燃烧和性能的影响。结果表明,当压缩比和点火定时一定时,煤层气发动机的怠速稳定性随甲烷浓度的增加而增加,当点火定时一定时,增加压缩比对提高怠速稳定性有利;在小负荷工况下,煤层气浓度的变化对缸内压力的影响不大,但在高负荷时,最大爆发压力受煤层气浓度的影响较大。当负荷一定时,压力升高率随甲烷浓度的增加而增加,主燃期变短。煤层气中甲烷的浓度达到一定程度后,煤层气中惰性气体对燃烧过程的影响较小。NOX排放浓度随着甲烷浓度的增加而增加,HC和CO排放随负荷和甲烷浓度的增加而降低。利用MATLAB软件,模拟了燃烧室内涡流强度,并利用随机点法计算火焰相关参数,最后建立了涡流室式煤层气发动机准维双区燃烧模型;在燃烧模型的基础上,建立了煤层气发动机主要排放(NOX、CO和HC)的预测模型。模拟结果与试验值的比较表明:论文建立的燃烧和排放预测模型基本合理,能较好反映煤层气发动机缸内工作过程,是研究涡流室式煤层气发动机燃烧机理的有效工具。试验研究了不同EGR率、掺氢率和掺氢EGR(HEGR)对ZS195柴油机性能的影响。结果表明,ZS195柴油机采用EGR技术后,缸内最大爆发压力和压力升高率峰值减小,工作粗暴性有所改善,发动机的动力性和经济性有一定退化;EGR技术能显著降低NOX排放,但CO、HC和烟度排放会增加。ZS195柴油机掺氢燃烧后,随着掺氢率的增加,缸内最大爆发压力和压力升高率峰值都会增加。掺氢燃烧会提高ZS195柴油机的热效率,经济性得到改善;掺氢燃烧可以减少HC、CO和烟度排放,但NOX排放增加;ZS195柴油机使用HEGR技术后,当EGR率一定时,随着掺氢率的增加,最大爆发压力、压力升高率峰值和放热率峰值都有所增加;ZS195柴油机使用HEGR技术后,能同时降低NOX和烟度排放,发动机的有效热效率略有改善。利用CHEMKIN软件对柴油废气重整反应进行了化学动力学模拟。结果表明,无论有无催化剂,重整器入口温度是影响柴油重整反应的主要因素。没有催化剂时入口温度在900K以上重整反应才能开始,反应速率慢,重整产物中H2和CO的体积分数少。有催化剂时入口温度在600K以上重整反应即可进行,反应速率快,重整产物H2和CO的产量大。没有催化剂时,柴油废气重整反应是吸热反应,水蒸汽重整反应和水煤气反应是主要反应,氧化反应是次要反应。有催化剂时,柴油废气重整反应是放热过程,放热量主要由氧碳比决定。水碳比(H2O/C)和氧碳比(O2/C)是影响柴油重整反应的外部因素。增加水碳比(H2O/C)和氧碳比(O2/C),可以增加H2和CO的产量。最优水碳比(H2O/C)在1.5-2之间,氧碳比(O2/C)在0.3-0.5之间。不考虑催化作用,重整产物H2和CO体积分数随着流速得增加而下降;考虑催化作用时,空速对重整产物H2和CO体积分数几乎没有影响。重整反应器的结构(长度和直径)对柴油废气重整反应的影响很小。利用FLUENT软件建立了ZS195柴油机三维燃烧模型,对ZS195柴油机在标定工况下采用EGR、掺氢燃烧和HEGR技术进行了三维燃烧模拟。模拟结果和测试结果较为吻合,变化趋势一致,说明建立的燃烧模型真实可行。缸内速度矢量分布受柴油喷射量的影响较大,但在喷油前和燃烧后期,EGR率对缸内最大速度和流场分布影响不大。随着EGR率的增加,缸内局部最高温度下降,O2浓度下降,NO的局部质量浓度也下降。随着掺氢量的增加,缸内流场的最大速度有所下降,但压缩过程前期和膨胀冲程后期缸内速度矢量分布没有明显变化。缸内局部最高温度和NO质量浓度也随掺氢量的增加而增加。模拟结果显示ZS195柴油机采用HEGR技术可以同时降低NO和微粒排放。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
致谢  12-19
第一章绪论  19-37
  1.1 引言  19-21
  1.2 我国气体燃料资源概况  21-24
  1.3 气体燃料发动机国内外研究进展  24-35
  1.4 论文的课题来源和研究意义  35-36
  1.5 论文主要研究内容  36-37
第二章火花点火式煤层气发动机的研究  37-72
  2.1 概述  37
  2.2 变组分煤层气发动机的试验研究  37-46
  2.3 煤层气发动机工作过程模拟  46-71
  2.4 本章小结  71-72
第三章 ZS195 柴油机 EGR、掺氢及 HEGR 试验研究  72-107
  3.1 引言  72
  3.2 试验装置及试验方案  72-74
  3.3 试验结果及分析  74-105
  3.4 本章小结  105-107
第四章柴油废气重整反应的化学动力学模拟  107-140
  4.1 引言  107
  4.2 CHEMKIN软件介绍  107-111
  4.3 柴油废气重整反应机理  111-114
  4.4 柴油废气重整模拟结果及分析  114-139
  4.5 本章小结  139-140
第五章 ZS195 柴油机 EGR、掺氢及 HEGR 模拟研究  140-189
  5.1 引言  140
  5.2 FLUENT 软件介绍  140-143
  5.3 建立缸内工作过程模型  143-166
  5.4 燃烧模型的验证  166-167
  5.5 ZS195 柴油机 EGR、掺氢燃烧及 HEGR 模拟分析  167-188
  5.6 本章小结  188-189
第六章总结与展望  189-193
  6.1 全文总结  189-191
  6.2 论文主要创新点  191
  6.3 今后工作展望  191-193
参考文献  193-208
攻读博士学位期间科研和发表论文情况  208-210

气体燃料对内燃机燃烧过程及排放影响的机理研究

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