氣體燃料對內燃機燃燒過程及排放影響的機理研究.pdf

1、隨著汽車保有量的不斷增加和排放法規(guī)的日益嚴格，進一步降低內燃機排放成為當前能源與環(huán)境領域的一個重要課題。氣體燃料發(fā)動機以其優(yōu)良的排放、良好的經(jīng)濟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出發(fā)，重點研究了煤層氣和氫氣對內燃機燃燒過程和排放性能的影響。 根據(jù)煤層氣的理化性質，將S195柴油機改裝成火花點火式煤層氣發(fā)動機，并詳細試驗研究了煤層氣組分變化對發(fā)動機燃燒和性能的影響。結果表明，當壓縮比和點火定時一

2、定時，煤層氣發(fā)動機的怠速穩(wěn)定性隨甲烷濃度的增加而增加，當點火定時一定時，增加壓縮比對提高怠速穩(wěn)定性有利：在小負荷工況下，煤層氣濃度的變化對缸內壓力的影響不大，但在高負荷時，最大爆發(fā)壓力受煤層氣濃度的影響較大。當負荷一定時，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，模擬了燃燒室內渦流強度，并利用隨機點法計算火焰相關參數(shù)，最后建立了渦流室式煤層氣發(fā)動機準維雙區(qū)燃燒模型；在燃燒模型的基礎上，建立了煤層氣發(fā)動機主要排放(NOx、CO和HC)的預測模型。模擬結果與試驗值的比較表明：論文建立的燃燒和排放預測模型基本合理，能較好反映煤層氣發(fā)動機缸內工作過程，是研究渦流室式煤層氣發(fā)動機燃燒機理的有效工具。 試驗研究了不同EGR率、摻氫率和摻氫EGR(HEGR)對ZS195柴油機性能的影響

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

5、GR率一定時，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柴油機使用HEGR技術后，能同時降低NOx和煙度排放，發(fā)動機的有效熱效率略有改善。 利用CHEMKIN軟件對柴油廢氣重整反應進行了化學動力學模擬。結果表明，無論有無催化劑，重整器入口溫度是影響柴油重整反應的主要因素。沒有催化劑時入口溫度在900K以上重整反應才能開始，反應速率慢，重整產(chǎn)物中H2和CO的體積分數(shù)少。有催化劑時入口溫度在60

6、0K以上重整反應即可進行，反應速率快，重整產(chǎn)物H2和CO的產(chǎn)量大。沒有催化劑時，柴油廢氣重整反應是吸熱反應，水蒸汽重整反應和水煤氣反應是主要反應，氧化反應是次要反應。有催化劑時，柴油廢氣重整反應是放熱過程，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體積分數(shù)隨著流速得增加而下降；考慮催化作用時，空速對重整產(chǎn)物H2和CO體積分數(shù)幾乎沒有影響。重整反應器的結構(長度和直徑)對柴油廢氣重整反應的影響很小。 利用FLUENT軟件建立了ZS195柴油機三維燃燒模型，對ZS195柴油機在標定工況下采用EGR、摻氫燃燒和HEGR技術進行了三維燃燒模擬。模擬結果和測試結果較為吻合，變化趨勢一致，說明建立的燃燒模型真實可行。缸內速度矢量分布受柴