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掺氢天然气HCCI发动机燃烧特性模拟研究

作　者: 高宏达
导　师: 刘晓华
学　校: 大连理工大学
专　业: 热能工程
关键词: 天然气 氢气 均质压燃 燃烧模拟
分类号: TK431
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


随着不可再生的石油资源的日趋减少和人们环保意识的不断提高,内燃机代用燃料逐渐受到人们的重视。我国天然气储量丰富,其成本为仅为石油的1/3,且燃烧后所排放的有害物质少于石油,如果能将天然气作为内燃机的替代燃料,不仅可以做到缓和内燃机燃料危机的问题,同时可以减少污染物的排放。众多学者对内燃机的替代燃料做过研究,其中天然气掺氢技术受到了学者的高度重视,这种混合燃料对未来汽车行业的发展有着深远的意义和影响。文中利用Chemkin软件中的发动机单区模型,针对掺氢比在5%及5%以下的天然气HCCI内燃机的燃烧特性进行了模拟研究。以VolvoTD100发动机为原型进行建模,模拟计算了天然气成分为甲烷90%,乙烷10%的HCCI内燃机的燃烧情况,并与文献当中的相关数据进行了对比,模拟计算得到的缸内压力和缸内温度要略高于实验的结果,这是因为,模拟计算忽略了气缸壁的热量损失,且假定气缸内各处的温度和压力都是相同的,而实际情况是各点的温度应该略有不同；在缸径为100mm、冲程120mm、转速1000rpm、压缩比为16的单缸发动机上研究了不同掺氢比(0%、2%、5%)对天然气HCCI内燃机燃烧特性的影响,随着掺氢比的增加,着火时刻显著提前,放热率升高,氮氧化物排放增加,缸内压力和缸内温度有一定提升,这是因为氢气的燃烧速度要比天然气快,点火能量低且稀燃极限宽,在天然气中添加少量的氢气会对内燃机的燃烧有明显的促进作用,提高混合气的燃烧速率,拓宽稀燃极限；在缸径为100mm、冲程120mm的单缸发动机上模拟计算了不同进气温度、进气压力、压缩比、转速和过量空气系数对5%体积掺氢比的天然气HCCI内燃机燃烧特性的影响,进气温度和进气压力的变化对掺氢天然气发动机影响较大,两者的提高都能够使着火时刻提前,压缩比越大,缸内压力和缸内温度越高,氮氧化物排放越多,提高过量空气系数有利于降低NO排放,转速对掺氢天然气发动机的影响较小；利用Chemkin软件中的发动机多区模型,通过化学反应路径分析模块,对掺氢天然气HCCI内燃机的NOx生成机理进行分析,探究NO在发动机气缸内的主要生成区域和主要生成路径。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-21
  1.1 天然气发动机的研究背景与意义  9-10
  1.2 内燃机替代燃料  10-13
    1.2.1 气体替代燃料  11
    1.2.2 液体替代燃料  11-13
  1.3 HCCI内燃机介绍  13-14
  1.4 HCCI内燃机数值模拟现状  14-16
    1.4.1 单区模型  14-15
    1.4.2 多区模型  15
    1.4.3 多维模型  15-16
  1.5 天然气化学反应动力学机理  16-17
  1.6 掺氢天然气HCCI内燃机的研究进展  17-20
  1.7 本文的研究内容  20-21
2 HCCI内燃机数值模拟数学模型  21-29
  2.1 计算模型  21-24
    2.1.1 控制方程  21-23
    2.1.2 发动机模型  23-24
  2.2 计算求解  24-28
  2.3 本章小结  28-29
3 计算结果分析  29-53
  3.1 天然气HCCI内燃机燃烧过程分析  29-31
  3.2 不同掺氢量对天然气HCCI内燃机燃烧的影响  31-36
    3.2.1 缸内温度和压力  32-33
    3.2.2 NO、NO_2摩尔分数  33-34
    3.2.3 甲烷、氢气摩尔分数  34-35
    3.2.4 CO摩尔分数  35-36
  3.3 初始参数对掺燃烧的影响  36-47
    3.3.1 进气温度的影响  37-39
    3.3.2 进气压力的影响  39-41
    3.3.3 压缩比的影响  41-43
    3.3.4 转速的影响  43-45
    3.3.5 过量空气系数的影响  45-47
  3.4 氮氧化物排放  47-51
    3.4.1 NO_x生成机理  47-49
    3.4.2 NO生成路径  49-51
  3.5 本章小结  51-53
4 结论与展望  53-55
  4.1 结论  53-54
  4.2 展望  54-55
参考文献  55-58
附录A 符号说明  58-59
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  59-60
致谢  60-61

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中图分类: > 工业技术 > 能源与动力工程 > 内燃机 > 气体燃料内燃机 > 理论
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