天然气掺氢HCCI发动机燃烧与排放物的研究

【摘要】：上世纪六十年代后,世界经历了3次严重的石油危机。由此带来的全球环境污染问题严重影响到各个国家的发展。能源特别是石油资源的严重匮乏、全球环境的日益恶化成为了世界两大难题。为了解决此问题,新型发动机以及各类汽车代用燃料的研究越来越引起广大学者的关注。天然气掺氢(HCNG)燃料,是满足节能减排问题的车用气体替代燃料之一,也是实现从传统燃料汽车到氢能汽车过渡的最具可行性方案。本文的工作主要是围绕天然气掺氢燃料发动机的燃烧排放特性进行的。 本文首先对天然气掺氢燃料发动机的研究动态以及存在的相关问题进行了综述。然后利用大型气相化学动力学软件CHEMKIN对美国加州大学开发的GRI(Gas Research Instiutte)3.0天然气(CNG)详细化学反应机理进行分析。在天然气详细化学反应动力学机理上,参考已有的简化模型及方法,通过对天然气均质压燃燃烧反应途径的分析,再结合敏感度分析法和反应速率分析法,构建天然气燃烧简化机理。对比分析所构建的简化机理和详细机理的模拟结果,计算结果显示,此简化模型对HC、CO、NOX以及CH20排放物的变化历程有较为准确的预测,可以用来代替详细模型进行计算分析。简化模型大大减少了计算时间,并且为化学动力学模型与CFD多维模型进行耦合提供了可行性。依据此机理再加上本文中选用的氢氧燃烧机理,建立天然气掺氢燃烧反应模型。此模型由上述两个机理中提取,其中化学反应速率常数未做出改变。 理论上推导出HCNG燃料的质量掺氢比,HCNG混合燃料中各组分的含量计算,HCNG混合气的热值计算以及HCNG化学计量比的计算公式。利用计算流体动力学软件FLUENT建立以ZS195发动机燃烧室为原型的三维计算模型,并将此CFD多维模型分别和天然气简化化学机理、天然气掺氢化学动力学模型相耦合,对CNG发动机以及HCNG发动机HCCI燃烧过程、排放特性进行模拟分析。结果显示：在天然气中掺入氢气后,相对纯天然气而言,发动机缸内着火时刻提前,温度峰值增加,燃烧更加充分,后燃减小,缸内压力峰值也随之增加。随着掺氢比的增加,CO和NOX(主要是NO)排放量增加,HC(主要是CH4)、CH20排放量减小。 【关键词】：CNG HCNG HCCI 简化模型 模拟计算
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK431
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-21
• 1.1 开发发动机替代燃料的必要性9-10
• 1.2 天然气掺氢燃料10-13
• 1.2.1 天燃气燃料介绍11-12
• 1.2.2 氢气简介12
• 1.2.3 天然气掺氢燃料优势12-13
• 1.3 国内外天然气掺氢燃料近期研究动态13-15
• 1.4 HCCI发动机数值模拟研究15-19
• 1.4.1 单区模型16
• 1.4.2 多区模型16-17
• 1.4.3 多维模型17-19
• 1.5 本论文主要研究内容19-21
• 第2章 天然气掺氢简化化学反应动力学模型21-50
• 2.1 CHEMKIN软件介绍21-27
• 2.1.1 均质零维反应器模型22-23
• 2.1.2 模型基本控制方程23-24
• 2.1.3 发动机气缸几何模型相关方程24-26
• 2.1.4 IC发动机模型传热方程26-27
• 2.2 天然气化学动力学简化模型的建立27-40
• 2.2.1 构建简化动力学模型的方法27-30
• 2.2.2 主要反应组分的确定30-32
• 2.2.3 确定主要反应路径32-40
• 2.3 天然气简化模型的验证40-48
• 2.3.1 天然气简化模型与详细模型的对比40-43
• 2.3.2 不同初始参数对简化模型的影响43-48
• 2.4 天然气掺氢燃烧化学反应机理48-49
• 2.5 本章小结49-50
• 第3章 天然气HCCI发动机工作过程模拟50-67
• 3.1 模拟软件简介50-57
• 3.1.1 FLUENT软件简介50-51
• 3.1.2 控制方程及物理模型51-55
• 3.1.3 求解技术55-57
• 3.2 建立发动机模型57-60
• 3.2.1 网格的生成57-58
• 3.2.2 计算模型的设置58
• 3.2.3 活塞动网格设置58-59
• 3.2.4 边界条件和初始条件59-60
• 3.3 模拟计算及结果分析60-66
• 3.3.1 缸内温度和压力对比60-61
• 3.3.2 燃烧过程分析61-62
• 3.3.3 燃烧排放物分析62-66
• 3.4 本章小结66-67
• 第4章 天然气掺氢均质压燃燃烧排放特性67-77
• 4.1 合气燃料掺氢比相关计算67-71
• 4.1.1 天然气掺氢燃料质量掺氢比计算67-68
• 4.1.2 天然气掺氢化学计量比计算68-69
• 4.1.3 天然气掺氢混合气热值计算69-70
• 4.1.4 天然气掺氢燃料中各组分含量计算70-71
• 4.2 天然气掺氢HCCI发动机模拟计算71-75
• 4.2.1 缸内温度和压力对比71-72
• 4.2.2 燃烧排放特性对比分析72-75
• 4.3 本章小结75-77
• 第5章 全文总结和展望77-79
• 5.1 全文总结77-78
• 5.2 工作展望78-79
• 参考文献79-83
• 致谢83-84
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文84

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