掺氢天然气均质压燃发动机燃烧特性数值模拟研究

摘要

随着化石燃料不断枯竭和温室效应日益严重，寻求新的清洁可替代燃料和新型燃烧方式已成为降低现有传统内燃机油耗和排放的研究重点。掺氢天然气有着良好的燃烧特性，而均质压燃(Homogeneous Charge Compression Ignition)发动机不仅有着传统压燃式柴油机较高的热效率，还具备火花点火式汽油机的均质混合特性，现在受到越来越多汽车公司和广大学者的青睐。对此，本文通过数值模拟研究了掺氢天然气均质压燃发动机的燃烧特性，对提高掺氢天然气均质压燃发动机的燃烧动力性与减少污染物排放具有理论意义，以实现对掺氢天然气均质压燃发动机燃烧性能的改进。
　　本文首先以GRI(Gas Research Institute) Mech3.0化学反应机理建立了掺氢天然气化学反应动力学模型，包括基元化学反应速率子模型;以ZS195非增压水冷直喷式天然气发动机的结构参数作为几何模型的初始输入参数，在CHEMKIN软件中建立了均质压燃发动机的零维单区数值模型，并增加Woschni传热子模型计算气缸内的热损失;对混合燃料的掺氢比、热值等物性参数进行了计算;数值模拟了掺氢天然气均质压燃发动机的燃烧过程，并与参考文献中的试验值进行了对比验证。
　　然后研究了不同掺氢比（0％、2％和5％）对天然气均质压燃发动机燃烧过程以及燃烧化学反应中反应物、中间产物和生成物的摩尔分数以及主要参与的基元化学反应速率的影响。最后采用控制变量法分析了5种运行工况下的参数（压缩比、转速、过量空气系数、进气压力和进气温度）变化对掺氢天然气均质压燃发动机燃烧特性的影响。
　　结果表明，掺氢有助于提高天然气均质压燃发动机的燃烧经济与动力性，对改善和控制天然气均质压燃发动机的着火时刻有着积极意义;掺氢加快了中间产物CH2O的分解反应速率，有效地减少了甲醛的排放;压缩比的增大使得NO的排放增加;增大过量空气系数，可以有效地降低NO的排放;转速对均质压燃影响较小;进气压力和进气温度的提高都能使均质压燃发动机着火时刻提前。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 均质压燃发动机研究现状

1．2．2 掺氢天然气均质压燃发动机燃烧特性研究现状

1．3 本文研究内容

第二章 掺氢天然气均质压燃发动机燃烧模型

2．1 掺氢天然气化学反应动力学模型

2．1．1 化学反应机理

2．1．2 化学反应速率子模型

2．2 均质压燃发动机零维单区模型

2．2．1 基本假设与控制方程

2．2．2 发动机气缸几何模型

2．2．3 传热子模型

2．3．1 混合燃料质量掺氢比的计算

2．3．2 混合燃料化学计量空燃比的计算

2．3．3 混合燃料热值的计算

2．3．4 混合气各组分摩尔分数的计算

2．4 CHEMKIN软件

2．4．1 CHEMKIN软件的介绍

2．4．2 CHEMKIN软件的求解

2．5 仿真平台的搭建与验证

2．5．1 仿真平台的搭建

2．5．2 燃烧模型的验证

2．6 本章小结

第三章 不同掺氢比下的天然气均质压燃发动机燃烧特性模拟分析

3．1 不同掺氢比对天然气均质压燃发动机燃烧特性的影响

3．1．1 不同掺氢比对缸内温度和压力的影响

3．1．2 不同掺氢比对放热率的影响

3．1．3 不同掺氢比对NOx的影响

3．1．4 不同掺氢比对CO和CO2的影响

3．2 不同掺氢比对天然气均质压燃发动机燃烧化学反应速率的影响

3．2．1 不同掺氢比对反应物化学反应速率的影响

3．2．2 不同掺氢比对中间产物化学反应速率的影响

3．2．3 不同掺氢比对生成物化学反应速率的影响

3．3 本章小结

第四章 不同运行工况下的掺氢天然气均质压燃发动机燃烧特性模拟分析

4．1 压缩比对掺氢天然气均质压燃发动机燃烧特性的影响

4．2 转速对掺氢天然气均质压燃发动机燃烧特性的影响

4．3 过量空气系数对掺氢天然气均质压燃发动机燃烧特性的影响

4．4 进气压力对掺氢天然气均质压燃发动机燃烧特性的影响

4．5 进气温度对掺氢天然气均质压燃发动机燃烧特性的影响

4．6 本章小结

全文总结与展望

参考文献

致谢

附录