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原文传递氨-柴油双燃料发动机氮氧化物演变历程模拟研究

论文题名：	氨-柴油双燃料发动机氮氧化物演变历程模拟研究
关键词：	氨-柴油双燃料发动机;氮氧化物;演变历程;数值模拟
摘要：	开展氨燃料发动机高效清洁燃烧理论与技术的研究具有重要的现实意义。氨作为发动机单一燃料的发展受限于其不良的燃烧特性：如高自燃温度、低火焰传播速度、窄的可燃性极限和高的汽化潜热等。氨与碳氢化合物混合燃烧能有效改善氨燃料的燃烧过程。然而氨燃料中含氮比例高，燃烧会产生大量氮氧化物排放，包含有氮氧化物生成和还原的良好的氨-柴油双燃料化学反应动力学模型是阐明氮氧化物生成机制，降低发动机氮氧化物排放的关键。本文发展了一套氨-柴油双燃料氮氧化物生成和还原的化学反应动力学机理，并进一步进行了氨-柴油双燃料发动机缸内燃烧氮氧化物演变历程数值模拟研究，最后将SCR后处理模型与发动机耦合，并探究了发动机不同工况下后处理模型对氮氧化物的减排效率。为降低氨-柴油双燃料发动机氮氧化物的排放提供理论和工程应用指导。　　首先借助Chemkin软件发展了一套含有NOx生成和还原的氨和柴油双燃料燃烧的化学反应动力学简化机理，其中正庚烷的燃烧特性与柴油基本一致，因此以正庚烷作为柴油替代物，并对该双燃料机理进行了零维和三维验证以及相应的优化，结果表明氨-柴油双燃料燃烧排放模型的可靠性。进一步借助同位素标记法分析了双燃料燃烧过程中NOx生成途径及比例。研究结果表明当系统燃烧温度以及当量比增加时，系统生成的氮氧化物中来自于氨燃烧生成的氮氧化物比例降低。　　随后在此基础上将发展的氨-正庚烷双燃料燃烧机理耦合到CFD三维发动机模型上，结合Matlab对仿真结果的处理，探索不同工况下NOx的生成和还原的边界条件以及相应的化学反应路径。研究结果表明，氨-柴油双燃料缸内燃烧过程中NO的生成路径主要有四条：分别为从N2→NO、HNO→NO、HONO→NO、NO2→NO；而缸内NO的主要消耗路径也有四条；分别为从NO→NO2、NO→HNO、NO→NNH、NO→N2，这其中主导的消耗路径为NO→NNH和NO→N2。因为另外两条路线实际上体现的NO和NO2的动态转换平衡的过程，这对NO的消耗没有实质影响。在燃烧初期缸内NO的还原主要集中于整个燃烧区域且高温区域偏多，但是被还原的量较少；随着燃烧的持续进行，NO的还原主要发生于中低温区域且发生的温度范围条件主要为960K到1500K；随着燃烧的持续进行，缸内NO被还原的量逐渐增加。且该温度区间与选择性非还原脱硝工艺适宜温度区间接近。　　最后，将三维CFD软件CONVERGE的模拟仿真结果耦合到标定好的SCR后处理模型上，探索不同工况下的NOx还原效率。碍于常规SCR模型无法降低N2O排放的问题，随后对降低氨及其混合燃料发动机缸内燃烧过程中生成的N2Oamp;nbsp;的措施进行了分析和验证，从而为发动机后处理的设计提供指导。研究结果表明，在无需额外向SCR模型中通入氨等还原剂的前提下，直接将氨-柴油双燃料发动机缸内尾气通入模型中时，不同发动机工况下，NOx都能高效的被还原成N2。而且为了保证后处理装置对N2O的转换效率，向装置通入过量空气或者氧气是重要手段。
作者：	罗伟凡
专业：	动力工程
导师：	刘海峰;林铁坚
授予学位：	硕士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2022