氣體燃料對內(nèi)燃機(jī)燃燒過程及排放影響的機(jī)理研究.pdf

1、隨著汽車保有量的不斷增加和排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，進(jìn)一步降低內(nèi)燃機(jī)排放成為當(dāng)前能源與環(huán)境領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。氣體燃料發(fā)動機(jī)以其優(yōu)良的排放、良好的經(jīng)濟(jì)性以及能部分替代石油資源而受到了空前重視。本文從改善燃燒降低排放的目標(biāo)出發(fā)，重點(diǎn)研究了煤層氣和氫氣對內(nèi)燃機(jī)燃燒過程和排放性能的影響。 根據(jù)煤層氣的理化性質(zhì)，將S195柴油機(jī)改裝成火花點(diǎn)火式煤層氣發(fā)動機(jī)，并詳細(xì)試驗(yàn)研究了煤層氣組分變化對發(fā)動機(jī)燃燒和性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)壓縮比和點(diǎn)火定時(shí)一

2、定時(shí)，煤層氣發(fā)動機(jī)的怠速穩(wěn)定性隨甲烷濃度的增加而增加，當(dāng)點(diǎn)火定時(shí)一定時(shí)，增加壓縮比對提高怠速穩(wěn)定性有利：在小負(fù)荷工況下，煤層氣濃度的變化對缸內(nèi)壓力的影響不大，但在高負(fù)荷時(shí)，最大爆發(fā)壓力受煤層氣濃度的影響較大。當(dāng)負(fù)荷一定時(shí)，壓力升高率隨甲烷濃度的增加而增加，主燃期變短。煤層氣中甲烷的濃度達(dá)到一定程度后，煤層氣中惰性氣體對燃燒過程的影響較小。NOx排放濃度隨著甲烷濃度的增加而增加，HC和CO排放隨負(fù)荷和甲烷濃度的增加而降低。 利用M

3、ATLAB軟件，模擬了燃燒室內(nèi)渦流強(qiáng)度，并利用隨機(jī)點(diǎn)法計(jì)算火焰相關(guān)參數(shù)，最后建立了渦流室式煤層氣發(fā)動機(jī)準(zhǔn)維雙區(qū)燃燒模型；在燃燒模型的基礎(chǔ)上，建立了煤層氣發(fā)動機(jī)主要排放(NOx、CO和HC)的預(yù)測模型。模擬結(jié)果與試驗(yàn)值的比較表明：論文建立的燃燒和排放預(yù)測模型基本合理，能較好反映煤層氣發(fā)動機(jī)缸內(nèi)工作過程，是研究渦流室式煤層氣發(fā)動機(jī)燃燒機(jī)理的有效工具。 試驗(yàn)研究了不同EGR率、摻氫率和摻氫EGR(HEGR)對ZS195柴油機(jī)性能的影響

4、。結(jié)果表明，ZS195柴油機(jī)采用EGR技術(shù)后，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和壓力升高率峰值減小，工作粗暴性有所改善，發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性有一定退化；EGR技術(shù)能顯著降低NOx排放，但CO、HC和煙度排放會增加。ZS195柴油機(jī)摻氫燃燒后，隨著摻氫率的增加，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力和壓力升高率峰值都會增加。摻氫燃燒會提高ZS195柴油機(jī)的熱效率，經(jīng)濟(jì)性得到改善：摻氫燃燒可以減少HC、CO和煙度排放，但NOx排放增加：ZS195柴油機(jī)使用HEGR技術(shù)后，當(dāng)E

5、GR率一定時(shí)，隨著摻氫率的增加，最大爆發(fā)壓力、壓力升高率峰值和放熱率峰值都有所增加；ZS195柴油機(jī)使用HEGR技術(shù)后，能同時(shí)降低NOx和煙度排放，發(fā)動機(jī)的有效熱效率略有改善。 利用CHEMKIN軟件對柴油廢氣重整反應(yīng)進(jìn)行了化學(xué)動力學(xué)模擬。結(jié)果表明，無論有無催化劑，重整器入口溫度是影響柴油重整反應(yīng)的主要因素。沒有催化劑時(shí)入口溫度在900K以上重整反應(yīng)才能開始，反應(yīng)速率慢，重整產(chǎn)物中H2和CO的體積分?jǐn)?shù)少。有催化劑時(shí)入口溫度在60

6、0K以上重整反應(yīng)即可進(jìn)行，反應(yīng)速率快，重整產(chǎn)物H2和CO的產(chǎn)量大。沒有催化劑時(shí)，柴油廢氣重整反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，水蒸汽重整反應(yīng)和水煤氣反應(yīng)是主要反應(yīng)，氧化反應(yīng)是次要反應(yīng)。有催化劑時(shí)，柴油廢氣重整反應(yīng)是放熱過程，放熱量主要由氧碳比決定。水碳比(H2O/C)和氧碳比(O2/C)是影響柴油重整反應(yīng)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的產(chǎn)量。最優(yōu)水碳比(H2O/C)在1.5-2之間，氧碳比(O2/C)在0.3

7、-0.5之間。不考慮催化作用，重整產(chǎn)物H2和CO體積分?jǐn)?shù)隨著流速得增加而下降；考慮催化作用時(shí)，空速對重整產(chǎn)物H2和CO體積分?jǐn)?shù)幾乎沒有影響。重整反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)(長度和直徑)對柴油廢氣重整反應(yīng)的影響很小。 利用FLUENT軟件建立了ZS195柴油機(jī)三維燃燒模型，對ZS195柴油機(jī)在標(biāo)定工況下采用EGR、摻氫燃燒和HEGR技術(shù)進(jìn)行了三維燃燒模擬。模擬結(jié)果和測試結(jié)果較為吻合，變化趨勢一致，說明建立的燃燒模型真實(shí)可行。缸內(nèi)速度矢量分布受柴