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文檔簡介
1、由于全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展,能源危機和環(huán)境污染問題日益嚴重,傳統(tǒng)能源利用技術(shù)的革新成為了備受關(guān)注的焦點問題,其中催化燃燒以其易燃性、低污染性、高效性及極廣的可燃極限等優(yōu)越性已經(jīng)引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。作為傳統(tǒng)燃燒的一個主要代表以及能源消耗和環(huán)境污染的主要來源之一,汽車發(fā)動機正面臨著節(jié)能和環(huán)保的雙重壓力,其中均質(zhì)壓燃(HCCI)發(fā)動機以其高經(jīng)濟性、低氮氧化合物(NO<,x>)和微粒排放的突出優(yōu)越性成為了目前發(fā)動機研究的主要方向之一。但其
2、也有許多問題急待解決:著火定時的控制、運行范圍的拓展及碳氫(HC)和一氧化碳(CO)排放過高等。由于催化燃燒具有傳統(tǒng)燃燒模式所不具有的燃燒特性,同時也由于HCCI燃燒模式存在上述缺陷,因此可以將催化燃燒應(yīng)用于HCCI發(fā)動機中來解決其存在的上述問題。本文首先通過數(shù)值模擬對催化燃燒過程進行了詳細的研究,然后開展了此過程的近似解析求解及分岔分析,最后對催化燃燒在HCCI發(fā)動機中的基礎(chǔ)應(yīng)用進行了數(shù)值計算。主要目的是在充分認識催化燃燒過程的同時,
3、對其在HCCI發(fā)動機中的應(yīng)用進行探索性研究,為其實際應(yīng)用提供理論依據(jù)。 首先,對微元管催化燃燒過程進行了詳細的數(shù)值計算: 1、通過比較分析微元管催化燃燒數(shù)值模擬中的幾種數(shù)學(xué)模型,建立了適合本文的數(shù)學(xué)模型(邊界層模型)。利用此模型對微元管處于低入口壓力的情況下甲烷在催化劑鉑、銠表面的催化燃燒過程進行了分析,討論了微元管的直徑、入口氣體速度、入口氣體溫度、混合氣當(dāng)量比及催化劑種類對催化燃燒過程的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)微元管的物理參數(shù)
4、及初始工況條件對反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率及生成物的選擇性影響較大;通過數(shù)值計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的比較,證明本文所采用的甲烷在鉑、銠表面的詳細反應(yīng)機理能很好的反映甲烷的催化燃燒歷程,同時本文所建立的數(shù)學(xué)模型是正確的。對乙烷在微元管中的催化燃燒過程進行了數(shù)值模擬,分別討論了兩種工況:混合氣為C<,2>H<,6>、O<,2>和N<,2>及混合氣為C<,2>H<,6>、O<,2>、H<,2>和N<,2>。通過對計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比分析,發(fā)現(xiàn)雖然兩者之間
5、存在些許誤差,但總體趨勢還是相當(dāng)吻合的。 2、分析了當(dāng)微元管處于高入口氣體壓力情況下氣相反應(yīng)對催化燃燒過程的影響,同時對甲烷在催化劑鉑表面的詳細反應(yīng)機理進行了敏感性分析,找出了影響均相著火及非均相著火的關(guān)鍵反應(yīng)步。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)微元管入口氣體壓力較高時,氣相反應(yīng)對催化燃燒過程的影響不能忽略,同時隨著壓力的升高,其影響越大;對非均相著火起主要作用的表面反應(yīng)步為CH<,4>與O<,2>的吸附反應(yīng)及O<,2>的解吸反應(yīng),對均相著火起主要作
6、用的表面反應(yīng)步為OH·的吸附及解吸反應(yīng)及H<,2>O的吸附及解吸反應(yīng)。 其次,簡要介紹了對催化燃燒過程進行近似解析求解時的幾種簡化模型及其近似解析解表達式,并對比分析了這幾種簡化模型與常規(guī)兩維模型的差異。同時,運用分岔理論對其中的一種模型——短體蜂窩狀模型(SM)進行了分析,詳細的討論了微元管中整體氣流及催化劑表面混合氣的著火與熄火特性、燃燒狀態(tài)的穩(wěn)定性。 最后,通過對現(xiàn)有HCCI燃燒模型的分析,建立了將催化燃燒應(yīng)用于H
7、CCI發(fā)動機的單區(qū)、多區(qū)及多維模型。利用這些模型詳細分析了催化燃燒對HCCI發(fā)動機的著火時刻、排放以及缸內(nèi)溫度場、各組分濃度場的影響: 3、通過單區(qū)模型詳細分析了催化燃燒對HCCI發(fā)動機著火時刻的影響,同時對比分析了有、無催化燃燒時進氣溫度、壓縮比及過量空氣系數(shù)等參數(shù)變化對HCCI發(fā)動機燃燒過程的影響;討論了甲烷在催化劑鉑表面的詳細反應(yīng)機理中關(guān)鍵反應(yīng)步對HCCI發(fā)動機著火時刻的影響。 4、通過比較多區(qū)模型中區(qū)間劃分、缸壁
8、傳熱模型、區(qū)間熱量交換模型、區(qū)間質(zhì)量交換模型及邊界層模型對HCCI發(fā)動機燃燒和排放模擬結(jié)果的影響,選取了適合本文計算目的的各種子模型,建立了將催化燃燒應(yīng)用于HCCI發(fā)動機的多區(qū)模型。利用此模型對活塞頂有催化劑鉑涂層時催化燃燒對HCCI發(fā)動機排放的影響進行了詳細的分析,發(fā)現(xiàn)與無催化劑時相比,當(dāng)活塞頂有催化劑鉑涂層時HC與CO的排放都有一定程度的降低,但NO<,x>的排放會有小幅度的升高;對比分析了催化劑的種類對HCCI發(fā)動機排放的影響,相
9、比催化劑鉑而言,采用催化劑銠時HC的排放要有所降低,但CO與NO<,x>的排放卻有所升高,同時采用鉑-銠混合催化劑時HC與NO<,x>的排放介于上述兩種催化劑之間,但CO的排放要比上述兩種催化劑都要低;最后利用此模型分析了催化燃燒對HCCI發(fā)動機燃燒性能的影響,當(dāng)活塞頂有催化劑鉑時,平均有效壓力、指示燃油轉(zhuǎn)換率、燃燒效率等都將會有不同程度的改善。 5、通過結(jié)合多維CFD程序KIVA和反應(yīng)動力學(xué)程序CHEMKIN 及 DETCHE
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