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原文传递气体燃料对内燃机燃烧过程及排放影响的机理研究

论文题名：	气体燃料对内燃机燃烧过程及排放影响的机理研究
关键词：	气体燃料;内燃机;燃烧过程;排放性能
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。
作者：	钱叶剑
专业：	车辆工程
导师：	左承基
授予学位：	博士
授予学位单位：	合肥工业大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文