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基于尾气余热利用的掺混重整气汽油机性能的试验研究

作　者: 戴晓旭
导　师: 纪常伟
学　校: 北京工业大学
专　业: 热能工程
关键词: 重整气尾气余热燃料重整内燃机排放
分类号: TK417
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

近些年来，能源危机的不断加剧以及大气污染的日趋严重，制约着世界各国的经济发展。因此，提高能源利用率并寻找绿色、清洁的可再生能源的工作已经刻不容缓。汽车产业的不断发展在提高人们生活品质的同时，也增加了人类对化石燃料的依赖，并对环境造成了不可逆转的影响。提高内燃机热效率、减少排放以及开发新能源已经成为众多科研人员关注的焦点。氢气作为一种可再生的替代燃料，在一定程度上可以缓解人类对化石燃料的依赖。与汽油和柴油相比，氢气具有优良的理化特性。例如：点火能量低；火焰传播速度快；焠熄距离短等。然而，氢气的体积能量密度比汽油和柴油低得多，纯氢内燃机并不能保证足够的动力输出。而以氢气作为化石燃料添加剂，在内燃机中实现掺氢燃烧不但可降低能源消耗和排放，还能够在部分负荷工况下保证足够的输出功率。但氢气加注基础设施匮乏，而且氢气不易存储和运输，还会带来安全隐患。因此，掺氢内燃机至今没有得到广泛应用。与氢气相比，乙醇作为一种可再生能源，可以由生物质直接获取。另外，乙醇方便运输、低毒，并可以生物降解。利用安全系数较高的乙醇代替氢气随车携带，通过燃料重整制氢反应，在线制取重整气（富氢气体）与汽油混合燃烧，不但保证了氢气的供应，解决了氢气的存储和运输问题，而且保证了部分负荷工况下足够的动力输出。另外，在线燃料重整制氢技术可充分回收尾气中的余热，在催化剂的作用下，将反应原料催化生成重整气。之后，重整气与汽油一起进入汽缸，实现汽油掺混重整气燃烧，从而改善汽油在缸内的燃烧状况，提高内燃机的热效率。本研究首先进行燃料重整制氢的基础试验，采用多种重整原料：甲醇、乙醇、正庚烷、异辛烷；两种不同类型的催化剂：贵金属催化剂Pt/CeZrO₂/Al₂O₃以及非贵金属催化剂Cu-Zn/Al₂O₃-ZrO₂；两种重整制氢方法：水蒸汽重整和催化裂解。通过对比，找到适用于车载燃料重整制氢的最佳试验条件组合：包括反应温度、水/原料摩尔比、空速以及原料流量，得出最佳的车载应用方案。然后，根据传热学和化工设计的相关知识设计重整反应器。重整反应器是实现车载重整在线制氢的必要条件，它的设计原则包括两方面：一方面重整反应器要最大限度的回收尾气中的热量，并将一部分热量传递给重整原料，使液态的重整原料迅速汽化。另一部分热量传递给催化剂，使催化剂在一定的温度条件下具有较高活性，高效制取重整气。另一方面，重整反应器要设计得尽可能紧凑合理，与内燃机良好匹配。最后，进行基于内燃机尾气余热利用的汽油掺混重整气相关试验。在当量比条件下，探究掺混乙醇水蒸汽重整气对汽油机性能的影响。试验结果表明：通过回收内燃机的尾气余热，乙醇水蒸汽重整的效果显著。乙醇的转化率和氢气的浓度随着尾气温度的升高而提高。进气中掺混重整气后，内燃机的指示热效率升高。在稀燃条件下，随着重整气掺混分数的增大，最大缸内压力有所增加，内燃机的做工能力有所增强。而且，掺混重整气可以使缸内燃烧更加稳定，并降低了平均指示压力的循环变动系数。另外，与汽油相比，重整气中氢气和一氧化碳的火焰传播速度快。混入重整气之后，火焰发展期和火焰传播期均被缩短。在冷起动条件下，通过回收发动机的尾气余热制备并储存重整气，并探究掺混乙醇水蒸汽重整气对汽油机冷起动性能的影响。试验结果表明：由于重整气中氢气和一氧化碳的点火能量低，掺混重整气可以提升内燃机的平均指示压力和转速。此外，重整气中的氢气和一氧化碳具有较宽的火焰极限和较高的火焰扩散速度，使得缸内燃烧得到优化，并最终降低了内燃机的有害排放。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-15
物理量名称及符号  15-17
第1章绪论  17-37
  1.1 内燃机尾气余热利用技术的发展现状  17-20
    1.1.1 尾气余热利用的特点  17
    1.1.2 尾气余热利用的主要方式  17-20
      1.1.2.1 尾气余热涡轮增压技术  18
      1.1.2.2 尾气余热供暖技术  18
      1.1.2.3 尾气余热制冷技术  18-19
      1.1.2.4 尾气余热发电技术  19-20
  1.2 基于内燃机尾气余热利用的燃料重整制氢技术  20-28
    1.2.1 尾气余热利用的燃料重整制氢技术的研究意义  20-21
    1.2.2 燃料重整制氢的基本方法  21-25
      1.2.2.1 水蒸汽重整  21-23
      1.2.2.2 部分氧化重整  23-24
      1.2.2.3 自热重整  24-25
      1.2.2.4 催化裂解  25
    1.2.3 燃料重整制氢的催化剂  25-26
      1.2.3.1 氧化物催化剂  25-26
      1.2.3.2 氧化物担体金属催化剂  26
    1.2.4 燃料重整反应器的类型  26-28
  1.3 内燃机掺混燃烧技术的发展及应用  28-30
    1.3.1 内燃机常用的掺混燃料  28-29
    1.3.2 内燃机掺氢技术的发展  29-30
  1.4 国内外燃料重整制氢和掺氢燃烧技术的研究现状  30-33
  1.5 本课题主要研究内容和工作  33-37
第2章燃料重整系统试验  37-57
  2.1 系统试验平台的搭建  37-38
  2.2 重整制氢的试验过程  38-39
  2.3 催化剂的制备  39-40
    2.3.1 非贵金属催化剂Cu-Zn/Al_2O_3-ZrO_2  39
    2.3.2 贵金属催化剂Pt/CeZrO_2/Al_2O_3  39-40
  2.4 多种重整原料的水蒸汽重整  40-47
    2.4.1 反应温度对水蒸汽重整的影响  41-42
    2.4.2 水/原料摩尔比对水蒸汽重整的影响  42-44
    2.4.3 空速对水蒸汽重整的影响  44-45
    2.4.4 原料流量对水蒸汽重整的影响  45-47
    2.4.5 不同试验条件的重整制氢效果分析  47
  2.5 车载燃料重整制氢技术实际应用的方案选取  47-57
    2.5.1 基于Cu-Zn/Al_2O_3-ZrO_2催化剂的乙醇催化裂解  49-50
    2.5.2 基于Cu-Zn/Al_2O_3-ZrO_2催化剂的乙醇水蒸汽重整  50-52
    2.5.3 基于Pt/CeZrO_2/Al_2O_3催化剂的乙醇水蒸汽重整  52-54
    2.5.4 不同试验方案的重整制氢效果分析  54-57
第3章重整反应器的设计  57-75
  3.1 内燃机进排气量计算  58-59
  3.2 内燃机排气能量计算  59-61
    3.2.1 内燃机的热平衡分析  59
    3.2.2 排气组分质量百分比与排气比焓  59-61
  3.3 燃料重整能量需求分析  61-64
  3.4 重整反应器结构设计与尺寸  64-67
    3.4.1 传热系数的计算  64
    3.4.2 换热面积的计算  64-65
    3.4.3 重整反应器热管的尺寸及排布  65-66
    3.4.4 重整反应器的工程制图  66-67
  3.5 重整反应器基于 Ansys 和 Fluent 温度场模拟及热分析  67-69
    3.5.1 通过 Ansys 确定重整反应器热管布置方案  67-68
    3.5.2 通过 Fluent 确定重整反应器进出料端口布置方案  68-69
  3.6 燃料重整制氢效果的预估  69-75
    3.6.1 催化剂载体  69-72
    3.6.2 重整气掺混分数的计算  72-75
第4章当量比条件下掺混乙醇水蒸汽重整气对汽油机性能的影响  75-87
  4.1 试验系统  75-78
  4.2 试验方案  78-79
  4.3 利用汽油机尾气余热制取乙醇水蒸汽重整气  79-81
  4.4 掺混乙醇水蒸汽重整气对汽油机燃烧特性的影响  81-83
  4.5 掺混乙醇水蒸汽重整气对汽油机排放特性的影响  83-84
  4.6 小结  84-87
第5章稀燃条件下掺混乙醇重整气对汽油机性能的影响  87-103
  5.1 稀燃条件下掺混乙醇水蒸汽重整气对汽油机性能的影响  87-94
    5.1.1 试验方案  87
    5.1.2 利用汽油机尾气余热制取乙醇水蒸汽重整气  87-88
    5.1.3 掺混乙醇水蒸汽重整气对汽油机燃烧特性的影响  88-91
    5.1.4 掺混乙醇水蒸汽重整气对汽油机排放特性的影响  91-94
  5.2 稀燃条件下掺混乙醇裂解气对汽油机性能的影响  94-100
    5.2.1 试验方案  94
    5.2.2 利用汽油机尾气余热制取乙醇裂解气  94-95
    5.2.3 掺混乙醇裂解气对汽油机燃烧特性的影响  95-98
    5.2.4 掺混乙醇裂解气对汽油机排放特性的影响  98-100
  5.3 小结  100-103
第6章冷起动条件下掺混乙醇水蒸汽重整气对汽油机性能的影响  103-111
  6.1 试验方案  103
  6.2 乙醇水蒸汽重整气的制备及存储  103-104
  6.3 掺混乙醇水蒸汽重整气对汽油机冷起动燃烧特性的影响  104-107
  6.4 掺混乙醇水蒸汽重整气对汽油机冷起动排放特性的影响  107-108
  6.5 小结  108-111
结论  111-115
参考文献  115-125
攻读博士学位期间所取得的学术成果  125-127
致谢  127

基于尾气余热利用的掺混重整气汽油机性能的试验研究

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