天然氣—?dú)錃饣旌先剂辖Y(jié)合EGR的發(fā)動(dòng)機(jī)和預(yù)混層流燃燒研究

【摘要】：隨著世界能源形勢(shì)的緊張和環(huán)保要求的日益嚴(yán)格,發(fā)動(dòng)機(jī)清潔替代燃料的研究越來(lái)越多地受到人們的關(guān)注。天然氣由于其儲(chǔ)量大、有害排放低、燃料辛烷值高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),使之在城市公交系統(tǒng)獲得廣泛的應(yīng)用。同時(shí)由于天然氣是氣體燃料,在發(fā)動(dòng)機(jī)上使用時(shí)仍存在以下缺點(diǎn):火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷?密度小,著火范圍窄,燃燒時(shí)間長(zhǎng),放熱過(guò)程等容度低,發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率低等。同天然氣相比,氫氣具有火焰?zhèn)鞑ニ俾士?可燃范圍寬,點(diǎn)火能量低,排氣中無(wú)含碳污染物且可再生等優(yōu)點(diǎn)。因此,天然氣摻氫成為發(fā)動(dòng)機(jī)研究的一大熱點(diǎn)。目前有很多學(xué)者對(duì)天然氣摻氫在發(fā)動(dòng)機(jī)上燃燒開(kāi)展了研究工作并取得了一些成果,但是,天然氣摻氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒仍存在一些問(wèn)題,其中最突出的問(wèn)題是摻氫之后NOx排放較高。廢氣再循環(huán)(EGR)作為一種降低NOx的主要途徑,引入后可有效降低天然氣摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放。 本文在國(guó)家973項(xiàng)目、863計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下,系統(tǒng)地開(kāi)展了天然氣-氫氣混合燃料結(jié)合廢氣再循環(huán)(EGR)發(fā)動(dòng)機(jī)和預(yù)混層流燃燒的研究。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)、定容燃燒彈試驗(yàn)和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析,將研究工作由定性發(fā)展為定量,由宏觀深入到微觀,由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象到機(jī)理分析,為天然氣摻氫混合燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究與應(yīng)用提供了理論和試驗(yàn)支撐。研究具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和工程指導(dǎo)價(jià)值。獲得的主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下: (1)通過(guò)天然氣摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合EGR的燃燒特性的試驗(yàn)研究,得到了摻氫和EGR對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒特性影響的宏觀規(guī)律。最佳點(diǎn)火提前角隨著EGR率的增加而提前,隨著摻氫比的增加而推遲。摻氫比一定時(shí),火焰發(fā)展期、快速燃燒期和燃燒持續(xù)期均隨EGR率的增加而增加;隨摻氫比的增加而縮短。研究發(fā)現(xiàn),天然氣摻氫對(duì)火焰發(fā)展期的降低率大于對(duì)快速燃燒期的降低率。 (2)通過(guò)對(duì)天然氣摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合EGR的循環(huán)變動(dòng)特性試驗(yàn),分析了摻氫和EGR對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)變動(dòng)參數(shù)的影響。隨著EGR率的增加,缸內(nèi)最高壓力和最大壓力升高率的循環(huán)變動(dòng)增加;缸內(nèi)最高壓力和最大壓力升高率與其對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角之間的相關(guān)性減弱。隨著EGR率的增加,平均指示壓力的循環(huán)變動(dòng)增加。EGR率對(duì)平均指示壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù)的影響呈非線性趨勢(shì)。EGR率較小時(shí),循環(huán)變動(dòng)系數(shù)均保持很低值,摻氫比對(duì)循環(huán)變動(dòng)系數(shù)影響不大;EGR率較大時(shí),循環(huán)變動(dòng)系數(shù)明顯增加,此時(shí)增加摻氫比對(duì)降低循環(huán)變動(dòng)系數(shù)十分有效。對(duì)于給定的平均指示壓力的循環(huán)變動(dòng)系數(shù),EGR率與摻氫比之間存在線性關(guān)系。摻氫比越高,允許使用的EGR率也越高。 (3)通過(guò)對(duì)天然氣摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)配合EGR的性能與排放特性研究,得到了摻氫和EGR對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放特性的影響規(guī)律。有效熱效率隨EGR率的增加呈現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象,在EGR為10%時(shí)達(dá)到最大值。隨著摻氫比的增加,NOx排放呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì);NOx排放隨EGR率的增加而明顯降低,這種降低效果在摻氫比大時(shí)更加明顯。HC排放隨EGR率的增加而增加,隨摻氫比的增加而降低。CO和CO2都隨EGR率的增加變化不大,隨摻氫比的增加而降低。研究發(fā)現(xiàn),n=2000 r/min時(shí),摻氫比30%-40%,EGR率10%-20%可獲得最佳的性能和排放綜合指標(biāo);n=3000 r/min時(shí),摻氫比20%-40%,EGR率20%-30%可獲得最佳的性能和排放綜合指標(biāo)。天然氣摻氫結(jié)合EGR可實(shí)現(xiàn)火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)高效低污染燃燒。 (4)在定容燃燒彈上利用高速紋影攝像系統(tǒng),并結(jié)合Chemkin軟件,分別研究了甲烷和氫氣的層流預(yù)混燃燒特性和火焰穩(wěn)定性。當(dāng)稀釋度小于30%時(shí),隨著稀釋度的增加,反應(yīng)區(qū)厚度和熱擴(kuò)散厚度增加不大,而預(yù)混區(qū)厚度的增加幅度很大。層流燃燒速度隨絕熱火焰溫度的增加呈指數(shù)升高。絕熱火焰溫度對(duì)層流燃燒速度起主導(dǎo)作用,而熱擴(kuò)散系數(shù)起次要作用。層流燃燒速度取決于鏈分支反應(yīng)和鏈終止反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)。數(shù)值計(jì)算還得出層流燃燒速度的降低與H和OH自由基濃度的降低非常相關(guān)。當(dāng)H和OH自由基濃度超過(guò)10-3時(shí),層流燃燒速度顯著升高。層流燃燒速度隨初始溫度的增加而升高,隨初始?jí)毫Φ脑黾佣陆怠Ｆ湓蚴菈毫蜏囟茸兓瘯r(shí),鏈分支反應(yīng)和鏈終止反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果。鏈分支反應(yīng)是溫度敏感性的二體反應(yīng),而鏈終止反應(yīng)是溫度不敏感的三體反應(yīng)。當(dāng)初始?jí)毫υ龃髸r(shí),化學(xué)反應(yīng)總反應(yīng)級(jí)數(shù)先減小后增大。 (5)在定容燃燒彈上利用高速紋影攝像系統(tǒng),并結(jié)合Chemkin軟件,研究了摻氫對(duì)甲烷-空氣層流預(yù)混燃燒特性和火焰穩(wěn)定性的影響。層流燃燒速度隨摻氫比的增大而增加,其最大值向濃混合氣方向移動(dòng)。摻氫比低于40%的區(qū)域?yàn)榧淄橹鲗?dǎo)燃燒區(qū),層流燃燒速度隨摻氫比增加呈線性增加。當(dāng)摻氫比大于40%以后,層流燃燒速度隨摻氫比的增加呈指數(shù)增加。馬克斯坦長(zhǎng)度隨當(dāng)量比的增加而增加,在大當(dāng)量比時(shí)尤為明顯。研究表明,隨著摻氫比的增加,熱擴(kuò)散不穩(wěn)定性和流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性都增強(qiáng),火焰前鋒面出現(xiàn)細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)的時(shí)刻提前。隨著氫氣的加入,火焰中H,O和OH自由基濃度增加,導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)增強(qiáng)和層流燃燒速度的升高。層流燃燒速度與火焰中H和OH自由基濃度之間存在緊密的相關(guān)關(guān)系,高的層流燃燒速度對(duì)應(yīng)著高的自由基濃度。 【關(guān)鍵詞】：天然氣 氫氣 廢氣再循環(huán)(EGR) 層流燃燒速度 化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)
【學(xué)位授予單位】：西安交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2010
【分類號(hào)】：TK431
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-15
• 1 緒論15-25
• 1.1 選題背景15-16
• 1.2 天然氣和氫氣作為內(nèi)燃機(jī)燃料的優(yōu)缺點(diǎn)16-21
• 1.2.1 天然氣16-18
• 1.2.2 氫氣18-19
• 1.2.3 天然氣-氫氣混合燃料的優(yōu)勢(shì)和研究現(xiàn)狀19-21
• 1.3 預(yù)混層流基礎(chǔ)燃燒的研究意義和研究方法21-24
• 1.3.1 預(yù)混層流基礎(chǔ)燃燒的研究意義21-22
• 1.3.2 預(yù)混層流基礎(chǔ)燃燒的研究方法22-24
• 1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容24-25
• 上篇：天然氣-氫氣混合燃料結(jié)合EGR 的發(fā)動(dòng)機(jī)研究25-63
• 2 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架和試驗(yàn)方法26-39
• 2.1 試驗(yàn)臺(tái)架及測(cè)試設(shè)備26-30
• 2.2 試驗(yàn)燃料配置和試驗(yàn)方法30-33
• 2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法33-39
• 2.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程放熱率計(jì)算33-35
• 2.3.2 采用R-W 方法計(jì)算已燃質(zhì)量百分比35-37
• 2.3.3 當(dāng)量天然氣有效燃油消耗率和有效熱效率37-39
• 3 天然氣摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合EGR 的燃燒特性分析39-45
• 3.1 天然氣摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合EGR 的最佳點(diǎn)火提前角優(yōu)化39-40
• 3.2 摻氫比和EGR 率對(duì)放熱率的影響40-42
• 3.3 摻氫比和EGR 率對(duì)火焰發(fā)展期、快速燃燒期和總?cè)紵诘挠绊?/span>42-44
• 3.4 本章小結(jié)44-45
• 4 天然氣摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合EGR 的循環(huán)變動(dòng)特性研究45-54
• 4.1 表征參數(shù)的篩選45-46
• 4.2 壓力相關(guān)參數(shù)的循環(huán)變動(dòng)分析46-50
• 4.3 平均指示壓力的分布及循環(huán)變動(dòng)分析50-53
• 4.4 本章小結(jié)53-54
• 5 天然氣摻氫發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合EGR 的性能和排放特性研究54-63
• 5.1 摻氫比和EGR 率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響54-55
• 5.2 摻氫比和EGR 率對(duì)有效熱效率的影響55-56
• 5.3 摻氫比和EGR 率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性的影響56-60
• 5.3.1 NOx 排放56-57
• 5.3.2 HC 排放57-59
• 5.3.3 CO 排放59
• 5.3.4 C0_2 排放59-60
• 5.4 摻氫和EGR 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放影響的綜合分析60-61
• 5.5 本章小結(jié)61-63
• 下篇：甲烷-氫氣-稀釋氣混合氣的預(yù)混層流燃燒基礎(chǔ)研究63-137
• 6 層流燃燒速度的實(shí)驗(yàn)方法和計(jì)算方法64-74
• 6.1 實(shí)驗(yàn)裝置及試驗(yàn)系統(tǒng)布置64-65
• 6.2 實(shí)驗(yàn)燃料性質(zhì)及混合氣的配制65-67
• 6.3 球形擴(kuò)展火焰理論67-72
• 6.3.1 層流燃燒速度和馬克斯坦長(zhǎng)度67-69
• 6.3.2 火焰穩(wěn)定性及其參數(shù)分析69-72
• 6.4 計(jì)算方法和反應(yīng)機(jī)理72-74
• 7 甲烷-空氣-稀釋氣層流預(yù)混燃燒基礎(chǔ)研究和火焰穩(wěn)定性分析74-98
• 7.1 稀釋氣對(duì)甲烷-空氣混合氣層流燃燒速度和火焰穩(wěn)定性的影響74-88
• 7.1.1 火焰與拉伸的相互作用74-76
• 7.1.2 無(wú)拉伸火焰?zhèn)鞑ニ俣群蛯恿魅紵俣?/span>76-79
• 7.1.3 物理和化學(xué)參數(shù)對(duì)層流燃燒速度的影響79-81
• 7.1.4 火焰穩(wěn)定性分析81-83
• 7.1.5 火焰結(jié)構(gòu)83-85
• 7.1.6 H 和OH 自由基特性85-86
• 7.1.7 敏感性分析86-88
• 7.2 溫度和壓力對(duì)層流燃燒速度和火焰穩(wěn)定性的影響88-96
• 7.2.1 火焰?zhèn)鞑ニ俣群婉R克斯坦長(zhǎng)度88-90
• 7.2.2 層流燃燒速度90-91
• 7.2.3 總反應(yīng)級(jí)數(shù)91-93
• 7.2.4 敏感性分析93-94
• 7.2.5 反應(yīng)速率分析94-95
• 7.2.6 層流燃燒速度的擬合95-96
• 7.3 本章小結(jié)96-98
• 8 氫氣-空氣-稀釋氣層流預(yù)混燃燒基礎(chǔ)研究和火焰穩(wěn)定性分析98-118
• 8.1 稀釋氣對(duì)層流燃燒速度和火焰穩(wěn)定性的影響98-106
• 8.1.1 火焰?zhèn)鞑ニ俣群婉R克斯坦長(zhǎng)度98-102
• 8.1.2 火焰穩(wěn)定性和火焰前鋒面結(jié)構(gòu)102-105
• 8.1.3 層流燃燒速度105-106
• 8.2 溫度和壓力對(duì)層流燃燒速度和火焰穩(wěn)定性的影響106-117
• 8.2.1 火焰?zhèn)鞑ニ俣群婉R克斯坦長(zhǎng)度106-108
• 8.2.2 層流燃燒速度108-109
• 8.2.3 火焰穩(wěn)定性和胞狀結(jié)構(gòu)109-111
• 8.2.4 總反應(yīng)級(jí)數(shù)111-112
• 8.2.5 敏感性分析112-113
• 8.2.6 基元反應(yīng)的反應(yīng)速率分析113-114
• 8.2.7 火焰結(jié)構(gòu)和中間自由基特性114-115
• 8.2.8 層流燃燒速度擬合115-117
• 8.3 本章小結(jié)117-118
• 9 甲烷-氫氣-空氣層流預(yù)混基礎(chǔ)燃燒研究和火焰穩(wěn)定性分析118-132
• 9.1 摻氫比對(duì)層流燃燒速度和火焰穩(wěn)定性的影響118-124
• 9.1.1 火焰?zhèn)鞑ニ俣群婉R克斯坦長(zhǎng)度118-120
• 9.1.2 層流燃燒速度120-122
• 9.1.3 火焰結(jié)構(gòu)122
• 9.1.4 H 和OH 自由基特性122-124
• 9.2 溫度和壓力對(duì)層流燃燒速度和火焰穩(wěn)定性的影響124-131
• 9.2.1 火焰?zhèn)鞑ニ俣群婉R克斯坦長(zhǎng)度124-126
• 9.2.2 火焰穩(wěn)定性和胞狀結(jié)構(gòu)126-129
• 9.2.3 層流燃燒速度129
• 9.2.4 火焰結(jié)構(gòu)和自由基特性129-131
• 9.3 本章小結(jié)131-132
• 10 結(jié)論與展望132-137
• 10.1 全文總結(jié)132-135
• 10.2 工作展望135-137
• 參考文獻(xiàn)137-143
• 致謝143-144
• 攻讀學(xué)位期間取得的研究成果144-146

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富氧進(jìn)氣和摻水乳化對(duì)增壓柴油機(jī)燃燒和排放影響的研究    彭益源

反射爐燃油霧化燃燒CFD數(shù)值模擬研究    孫輝

柴油機(jī)倒拖示功圖的熱力分析    林杰倫

各種誤差對(duì)柴油機(jī)放熱曲線計(jì)算精度的影響    林杰倫

對(duì)放熱率曲線光順處理中若干問(wèn)題的探討    孫桂苓,劉根林

帶有可變噴嘴渦輪增壓系統(tǒng)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)研究    魏名山,馬朝臣,成森,郝利君,王延生,王舜琰,張煥新

直噴式柴油機(jī)燃燒過(guò)程模擬與分析(二)    張光德,陳志

甲烷-空氣-稀釋氣的層流燃燒特性研究    閻小俊,蔣德明

氣口順序噴射、稀燃、全電控柴油/天然氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究    蘇萬(wàn)華,林志強(qiáng),汪洋,謝輝,王江,裴毅強(qiáng),費(fèi)向陽(yáng),劉文勝,李紅珍,王根生

電控LPG發(fā)動(dòng)機(jī)稀限判據(jù)的研究    王振鎖;李理光;肖宗成;王惠萍;鄧寶清;蘇巖;

點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)稀燃速燃的理論探討和試驗(yàn)研究    詹樟松

生物柴油放熱規(guī)律預(yù)測(cè)模型與試驗(yàn)分析    黃兆春;馬淋軍;王忠;嚴(yán)明;

EGR客車可否叫好又叫座    李鑫顏;

EGR對(duì)柴油機(jī)工作過(guò)程影響的一維模擬    楊帥;周毅;鄒任玲;劉繼躍;徐慧星;董安琪;

某四缸柴油機(jī)EGR各缸均勻性計(jì)算    李湘華;張小姣;

柴油機(jī)EGR和微粒過(guò)濾器的試驗(yàn)研究    郭鵬江;高希彥;王浩;邵杰;吳君華;賈玉河;

柴油機(jī)內(nèi)部EGR的數(shù)值模擬分析    王楨;崔毅;鄧康耀;曲栓;龐海勇;

EGR在CA498柴油機(jī)上的試驗(yàn)研究    劉明

柴油機(jī)EGR冷卻器溫度場(chǎng)有限元仿真研究    王巖松;湯曉林;李燕;吳大鈺;

EGR在柴油機(jī)中的研究應(yīng)用    李娜,張強(qiáng),房克信,李國(guó)祥

工況排放試驗(yàn)輔助柴油機(jī)EGR匹配方法    郝汝林;

轎車柴油機(jī)用EGR冷卻器內(nèi)部溫度場(chǎng)分析    芮宏斌;宋俐;趙忠磊;

電子EGR閥的設(shè)計(jì)    李永亮;王林林;朱成輝;

國(guó)三成為重卡銷售主流 EGR發(fā)動(dòng)機(jī)在爭(zhēng)議中仍有市場(chǎng)    聞?wù)?/span>

天然氣—?dú)錃饣旌先剂辖Y(jié)合EGR的發(fā)動(dòng)機(jī)和預(yù)混層流燃燒研究    胡二江

內(nèi)外部EGR與電控燃油噴射控制柴油均質(zhì)燃燒的研究    石磊

EGR對(duì)汽油機(jī)排放和性能影響的研究    朱濤

柴油機(jī)測(cè)控與標(biāo)定臺(tái)架改造及基于uC/OS ii的電控EGR研究    宋建中

柴油機(jī)各缸EGR分配均勻性仿真研究    董顏

摻氫和EGR條件下柴油機(jī)缸內(nèi)工作過(guò)程的數(shù)值模擬    宋小芹

內(nèi)部EGR形成過(guò)程及其對(duì)汽油HCCI燃燒性能影響的數(shù)值模擬研究    張保強(qiáng)