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燃料重整器的设计及重整气对内燃机性能影响的试验研究

作　者: 句丙杰
导　师: 纪常伟
学　校: 北京工业大学
专　业: 热能工程
关键词: 内燃机余热回收重整反应器温度场模拟重整气
分类号: TK411
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

近年来，随着汽车数量的大量增加，使得石油消耗和环境污染日益严重。这要求广大研究学者开发新技术来降低汽车燃油消耗并减少排放。利用汽车尾气的余热对碳氢燃料进行催化重整制氢反应，将所制重整气引入内燃机参与燃烧可以实现内燃机的节能减排。本论文设计了一台用于重整制氢的反应器，建立了一套与内燃机相互匹配的基于尾气余热利用的重整制氢试验系统，并运用此系统进行了重整气改善汽油机性能的试验研究。重整反应器的设计基于前期对内燃机尾气的热学分析，通过燃料燃烧时的热平衡计算，确定反应器的规格及尺寸。随后用ANSYS和FLUENT对反应器整体和局部进行了温度场的热分析比较了不同热管和物料进出端口布置方案对换热效果的影响，从而得到最优化的重整反应器的结构。确定重整反应器的结构及尺寸之后，建立了基于内燃机尾气余热利用的燃料重整制氢试验系统。重整燃料经燃料泵先被泵入反应器，反应器中的尾气通过热管与重整燃料及催化剂进行充分的换热。尾气在热管中流动释放热量，燃料吸收热量由液态转变为气态，催化剂吸收热量并维持在一定的温度范围内。在催化剂的作用下，燃料经过重整反应最终生成重整气，主要包括氢气和一氧化碳，以及少量的甲烷和二氧化碳等物质。最后，生成的重整气通过气泵被泵入内燃机进气道与燃油混合燃烧。在内燃机试验中，通过改造汽油机排气管，在汽油机外部安装一套自制的乙醇重整装置进行试验。试验时转速设置为1800r/min，进气压力61.5kPa，通过改变过量空气系数，分别对原机和混重整气体积分数为2.5%的汽油机进行对比试验研究。实验结果表明：随着过量空气系数的增加，重整气中的H2的含量随之增加，而CO的变化则与H2呈相反的趋势。重整气的混入，缩短了火焰发展期和持续期，降低了尾气中HC的排放量，而CO和NOx的排放量则有小幅增加。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-7
物理量名称及符号表  7-8
目录  8-10
第1章绪论  10-18
  1.1 燃料重整制氢技术的背景及车载应用的意义  10
  1.2 燃料重整制氢的方法  10-14
    1.2.1 水蒸汽重整法  11
    1.2.2 部分氧化重整法  11-12
    1.2.3 自热重整法  12-13
    1.2.4 等离子体重整法  13-14
  1.3 国内外燃料重整制氢技术的应用现状  14-16
    1.3.1 各种重整制氢方法的对比  14
    1.3.2 重整制氢反应所需原料的选取  14-15
    1.3.3 重整制氢反应所需催化剂的选取  15-16
    1.3.4 燃料重整反应器的研究现状  16
  1.4 本课题研究的主要内容和工作  16-18
第2章燃料重整反应器的设计计算  18-35
  2.1 内燃机进、排气质量计算  18-19
  2.2 内燃机排气能量计算  19-22
    2.2.1 内燃机的热平衡  19-20
    2.2.2 排气组分质量百分比与排气比焓  20-22
  2.3 重整原料不同流量下所需的能量分析  22-24
  2.4 确定重整反应器的结构及尺寸  24-27
    2.4.1 传热系数 K 的确定  24-25
    2.4.2 换热面积的确定  25-26
    2.4.3 重整反应器热管的尺寸与排布  26-27
  2.5 反应器重整效果分析  27-34
    2.5.1 催化剂载体  27-30
    2.5.2 氢气产量分析与混氢分数计算  30-34
  2.6 本章小结  34-35
第3章燃料重整反应器的模拟仿真  35-45
  3.1 绘制重整器三维图  35-37
  3.2 重整反应器的热分析  37-44
    3.2.1 模拟软件介绍  37-39
    3.2.2 反应器内部温度场的模拟仿真  39-43
    3.2.3 几种反应器进料方式的设计方案  43-44
  3.3 本章小结  44-45
第4章车载重整试验研究  45-60
  4.1 燃料重整催化剂的选取与制备  45-49
    4.1.1 燃料重整催化剂的选取  45
    4.1.2 燃料重整催化剂的制备  45-49
  4.2 车载重整试验系统介绍  49-52
  4.3 试验方法  52
  4.4 试验结果与分析  52-58
    4.4.1 重整气成分分析  52-53
    4.4.2 汽油消耗量  53-54
    4.4.3 指示平均有效压力和指示热效率  54-55
    4.4.4 燃烧性能分析  55-56
    4.4.5 排放性能分析  56-58
  4.5 本章小结  58-60
结论与展望  60-62
参考文献  62-66
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  66-67
攻读硕士学位期间所申请的专利  67-68
致谢  68

燃料重整器的设计及重整气对内燃机性能影响的试验研究

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