焦炉气与天然气混燃发动机燃烧排放特性的数值模拟与研究

摘要

能源稀缺与环境保护都已成为当今世界的主要问题。天然气作为一种相对清洁的汽车燃料已经被证明和应用，而焦炉气同样作为一种富氢气体燃料，利用率却很低，研究焦炉气和天然气一定比例混合作为燃料的特性，不但可以提供一种燃料技术储备，更为能源稀缺的今天提供一种能源储备。
　　当今发动机研究手段已经由单纯重视实验研究转化为重视数值研究与实验研究相结合，发动机数值分析研究已经是发动机开发与改进研究中必不可少的环节。发动机的燃烧排放特性主要是由燃料与空气流动以及气缸内燃烧过程中的相互作用所决定的。对于如此复杂的缸内变化，数值研究可以利用其优势，通过内部周密的算法计算出温度，压强以及成分基于时间和空间的变化关系与规律。
　　本文主要研究内容如下：
　　在数值研究方面，本文利用 CHEMKIN对详细机理进行敏感性分析，并通过分析反应路径对骨架反应进行优化，得到最终适用于天然气、混合气与焦炉气燃烧过程的简化反应机理；利用AVL Boost软件，建立了一维整机数值模型，从不同燃料随曲轴转角、过量空气系数两个方面的变化规律研究了天然气、焦炉气、混合气三种燃料在发动机整机性能；通过AVL Fire软件对天然气、混合气、焦炉气分别作为燃料的发动机缸内工作过程进行模拟计算。对比研究燃烧时的温度场、速度场、NOx生成速率场等因素，从而评估混合气发动机的整机性能。
　　在实验研究方面，本文通过定容燃烧弹高速纹影系统在不同掺氢比下，研究燃空当量比对掺氢天然气预混火焰燃烧特性的影响规律，分析层流燃烧速率、火焰稳定性和最大燃烧压力随燃空当量比变化的关系规律，其中使用20％和80%掺氢比分别代表掺氢天然气的低、高掺氢比。

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第1章 绪 论

1.1本文的研究背景与意义

1.2天然气与焦炉气燃料概况

1.3车用焦炉气与HCNG发动机的国内外研究现状

1.4 本文的掺氢比选择与计算

1.5本文的主要研究内容

第2章 基于Chemkin燃烧机理的研究

2.1化学反应机理的介绍

2.2燃料化学反应机理的简化与验证

2.3.3 简化机理的应用

2.3.4本章小结

第3章发动机整机一维数值模拟

3.1 发动机一维数值模拟计算

3.2 一维模型的建立与验证

3.3 发动机工作过程的数值模拟

3.4本章小结

第4章发动机三维数值模拟计算

4.1 发动机三维数学模型

4.2 三维建模及参数设置

4.3发动机缸内三维数值模拟计算

4.4本章小结

第5章 当量比对掺氢天然气预混火焰燃烧特性的实验研究

5.1 试验装置

5.2 球形火焰扩散理论

5.3 试验结果与分析

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

附录