內(nèi)燃機(jī)燃用焦?fàn)t氣的燃燒過(guò)程仿真及性能優(yōu)化研究.pdf

1、隨著能源危機(jī)與環(huán)境污染的不斷加劇，煉焦副產(chǎn)物焦?fàn)t氣作為內(nèi)燃機(jī)代用燃料逐漸進(jìn)入了人們的視野，將其作為代用燃料，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)資源的綜合利用，同時(shí)可以減少焦?fàn)t氣直接排放帶來(lái)的環(huán)境污染，符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。內(nèi)燃機(jī)燃用焦?fàn)t氣具有燃燒效率高，CO與THC排放少等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在動(dòng)力性下降，NOx排放增加，易發(fā)生爆震等缺點(diǎn)。為充分發(fā)揮焦?fàn)t氣作為代用燃料的優(yōu)勢(shì)，解決在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，本文采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)焦?fàn)t氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行

2、了深入研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴焦?fàn)t氣化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究。在CH4氧化機(jī)理、H2/CO燃燒機(jī)理及NOx生成機(jī)理的基礎(chǔ)上，采用敏感性分析與非重要反應(yīng)消除等方法，搭建并簡(jiǎn)化得到焦?fàn)t氣化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。利用敏感性分析、不確定度分析與粒子群尋優(yōu)等方法，對(duì)部分化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并利用相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)優(yōu)化后機(jī)理的滯燃期、層流火焰速度等基本特性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：本文建立的焦?fàn)t氣化學(xué)反應(yīng)機(jī)理能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)滯燃期與層流火焰速度，同

3、時(shí)，該機(jī)理適用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒，可準(zhǔn)確仿真缸內(nèi)燃燒過(guò)程及NOx等排放物的生成。⑵焦?fàn)t氣發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真模型研究。利用GT-POWER耦合CHEMKIN建立的自燃子模型，建立焦?fàn)t氣發(fā)動(dòng)機(jī)一維仿真模型，為三維 CFD仿真提供邊界條件。利用KIVA軟件建立改進(jìn)的點(diǎn)火模型，并耦合 CHEMKIN建立的燃燒模型與自燃子模型，搭建焦?fàn)t氣發(fā)動(dòng)機(jī)三維數(shù)值仿真模型。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)上述模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：一維與三維數(shù)值仿真模型均可準(zhǔn)確仿真發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)

4、程，預(yù)測(cè)爆震發(fā)生的始點(diǎn)；此外，三維數(shù)值仿真模型還可準(zhǔn)確計(jì)算缸內(nèi)排放物的生成量，仿真爆震發(fā)生時(shí)缸內(nèi)的壓力波動(dòng)。⑶焦?fàn)t氣發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)研究。利用基于MR479Q汽油機(jī)改造而成的焦?fàn)t氣發(fā)動(dòng)機(jī)，以及 AVL FTIR、DEWETRON-CA、ETAS-LA4等測(cè)試設(shè)備，建立發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)焦?fàn)t氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、排放性與爆震特性等進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：焦?fàn)t氣發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性較汽油機(jī)下降了20％~30%；NOx的排放量較汽油機(jī)增大了36%~45%，C

5、O的排放量降低了70%~76%，THC的排放量降低了70%~78%；焦?fàn)t氣發(fā)動(dòng)機(jī)較汽油機(jī)更容易發(fā)生爆震，且發(fā)生爆震時(shí)的強(qiáng)度更大。⑷焦?fàn)t氣發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真研究。基于焦?fàn)t氣發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值仿真平臺(tái)，研究組分變化、燃燒室結(jié)構(gòu)、火花塞布置、壓縮比等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能的影響，結(jié)果表明：焦?fàn)t氣中CH4含量的增加不僅可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性，同時(shí)可以降低NOx的排放與爆震發(fā)生的趨勢(shì)，因此，選擇 CH4含量高的焦?fàn)t氣作為代用燃料；屋脊形燃燒室較半球形與碗形燃燒室具有

6、更強(qiáng)的動(dòng)力性，且爆震特性與半球形燃燒室相近，均不易發(fā)生爆震，但NOx排放略有增加，此外，增大屋脊形燃燒室底邊夾角可適當(dāng)提升動(dòng)力性，但夾角大于20 o后，其對(duì)動(dòng)力性、排放性與爆震特性的影響均不明顯，因此，綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)性能與改造成本，選用原機(jī)底邊夾角為20 o的屋脊形燃燒室作為焦?fàn)t氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室；火花塞布置于燃燒室中間較進(jìn)排氣門(mén)附近具有更強(qiáng)的動(dòng)力性，且不易發(fā)生爆震，此外，火花塞距離燃燒室頂部越近，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性越強(qiáng)，而爆震趨勢(shì)明顯下降，因此