基于非平衡等离子体的甲醇燃料燃烧过程模拟研究

发布时间：2017-10-27 01:06

  本文关键词：基于非平衡等离子体的甲醇燃料燃烧过程模拟研究

  更多相关文章： 甲醇燃料 非平衡等离子体 活性粒子 燃烧 排放

【摘要】：甲醇是煤基燃料,可以通过煤化工方式进行生产,这对于富煤贫油少气的中国来说,不失为一种非常好的选择。诸多研究表明,甲醇是一种最有可能在中国全国范围内大面积推广应用的汽车代用燃料之一。针对甲醇燃料发动机冷启动困难和非常规排放物高的问题,利用非平衡等离子体点火和助燃技术,为改善甲醇燃料燃烧和排放性能提供了新的思路。本文通过数值模拟的方法探索甲醇空气混合气等离子体的放电过程,通过研究甲醇空气等离子体放电过程机理、电子能量分布特性及活性粒子的产生和发展等,分析等离子体放电过程中影响活性粒子产生效率的主要因素;借助化学动力学软件CHEMKIN中的密闭、均匀、完全混合反应器模型在给定温度、压力及反应物组分浓度等初始条件下进行等离子体助燃甲醇燃料着火燃烧的模拟计算,通过耦合等离子体放电计算结果,对等离子体放电产生的活性粒子在燃烧过程中的助燃机理及助燃效果进行分析和研究;针对非平衡等离子体助燃在甲醇发动机中的应用,利用AVL FIRE软件通过建立甲醇发动机模型仿真在进气歧管处电离空气产生的主要活性物质臭氧对甲醇发动机的助燃作用,分析不同比例臭氧的添加对甲醇发动机稳态和冷启动工况燃烧排放特性的影响。研究得到以下结论:1.甲醇空气等离子体放电过程中的反应动力学机理主要有电子碰撞激发、离解和电离反应,激发态与中性分子的猝灭反应,离子/电子的二次结合反应;电子能量分布特性受到约化场强、电离度和气体组分浓度的影响,其中,约化场强、电离度的提高使电场内高能电子比例上升,气体组分浓度对电子能量分布的影响可以忽略不计;等离子放电过程中自由基的产生主要发生在电子能量3~10e V之间的电子碰撞反应中,约化场强由70Td上升至220Td过程中,3~10e V的电子比例迅速升高,因此此时自由基的浓度也将大幅度提高;甲醇空气等离子体中主要活性粒子有自由基O、H、CH2OH、CH3和OH;在约化场强为220Td至400Td区间自由基的产生效率较高,适合应用于等离子体助燃过程中。2.等离子体助燃甲醇燃料燃烧可以有效的缩短着火延迟期,活性粒子中氧原子的浓度对着火延迟期的缩短起着关键的作用;等离子体助燃条件下,系统内温度达到最高时对应的时间提前;由于活性粒子的加入甲醇燃料着火延迟时间缩短,反应物向产物的转变过程也因此提前,主要中间产物浓度达到峰值时间减小。3.在进气歧管处电离空气产生的主要活性物质臭氧对优化甲醇发动机冷启动和燃烧排放特性有一定的促进作用:稳态工况下,活性物质臭氧可以使甲醇发动机燃烧质量得到提高并且可以有效的降低排放物浓度,这主要是由于臭氧发生分解反应生成氧原子,随后氧原子又与气缸内甲醇发生了一系列链式化学反应,产生小分子燃料、自由基等活性物质使缸内温度得到上升并促使缸内火焰传播速度提高,燃烧更加迅速完全,从而使甲醇发动机燃烧排放特性得到了优化;冷起动工况下,在未添加臭氧前发动机燃烧质量差,非常规排放高;随着添加臭氧比例的提高,发动机的燃烧排放质量得到优化,缸内有更多的甲醇燃料参与燃烧,缸内温度和缸内压力上升显著,臭氧的添加可以有效的改善甲醇发动机冷启动性能。综上所述,甲醇空气等离子体助燃可以有效的缩短甲醇燃料燃烧的着火延迟期,燃烧氧化反应速率得到了明显的加速,使甲醇燃料燃烧更加稳定,火焰传播速度得到提高;空气等离子体助燃甲醇发动机过程中,活性物质臭氧的添加可以有效的提高甲醇发动机燃烧质量和降低排放物浓度,并且在解决甲醇发动机冷启动问题方面效果显著。
【关键词】：甲醇燃料 非平衡等离子体 活性粒子 燃烧 排放
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK46
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 绪论12-28
• 1.1 引言12-14
• 1.2 甲醇燃料的基本特性及研究进展14-19
• 1.2.1 甲醇燃料物化特性分析14-16
• 1.2.2 甲醇燃料在应用中存在的问题16-17
• 1.2.3 甲醇燃料发动机的研究进展17-19
• 1.3 非平衡等离子体点火和助燃技术的研究进展19-25
• 1.3.1 国外研究现状20-24
• 1.3.2 国内研究现状24-25
• 1.4 本文研究目的和意义25-26
• 1.5 本文主要研究内容26-28
• 第2章 非平衡等离子体技术及研究方法28-38
• 2.1 非平衡等离子体技术28-33
• 2.1.1 非平衡等离子体点火29-30
• 2.1.2 非平衡等离子体助燃30
• 2.1.3 非平衡等离子体的产生方式30-33
• 2.2 非平衡等离子技术主要研究手段33-37
• 2.2.1 COMSOL Multiphysics软件简介34-35
• 2.2.2 CHEMKIN软件简介35-36
• 2.2.3 AVL FIRE软件简介36-37
• 2.3 本章小结37-38
• 第3章 甲醇空气等离子体放电过程数值模拟38-58
• 3.1 甲醇空气混合气等离子体建模38-43
• 3.1.1 等离子体发生器模型的建立38-39
• 3.1.2 等离子体放电动力学模型39-43
• 3.1.3 模型可行性分析43
• 3.2 电子能量分布特性分析43-50
• 3.2.1 约化场强对电子能量分布的影响46-47
• 3.2.2 电离度对电子能量分布的影响47-49
• 3.2.3 气体组分浓度对电子能量分布的影响49-50
• 3.3 放电过程中活性粒子演变过程分析50-56
• 3.3.1 激发态、电离态物质的产生和发展51-53
• 3.3.2 自由基的产生和发展53-56
• 3.4 本章小结56-58
• 第4章 等离子体助燃甲醇燃料着火燃烧过程的数值模拟58-74
• 4.1 燃烧化学动力学模型58-59
• 4.2 着火延迟期的变化特性分析59-63
• 4.2.1 活性粒子浓度对着火延迟期的影响59-60
• 4.2.2 初始温度对着火延迟期的影响60-61
• 4.2.3 过量空气系数对着火延迟期的影响61-62
• 4.2.4 活性粒子组分对着火延迟期的影响62-63
• 4.3 温度的变化特性分析63
• 4.4 等离子体助燃甲醇燃料燃烧过程各物质产生和消耗的变化关系63-70
• 4.4.1 着火燃烧过程中反应物及生成物的变化63-66
• 4.4.2 着火燃烧过程中主要中间产物的变化66-70
• 4.5 敏感性分析70-72
• 4.5.1 温度的化学反应敏感性分析71-72
• 4.5.2 着火延迟期的化学反应敏感性分析72
• 4.6 本章小结72-74
• 第5章 等离子体助燃甲醇发动机的应用研究74-96
• 5.1 模拟仿真平台的搭建及模型验证74-78
• 5.1.1 缸内直喷甲醇发动机模型建立74-76
• 5.1.2 甲醇发动机模型网格划分及边界条件设定76-77
• 5.1.3 燃烧机理耦合77
• 5.1.4 模型有效性验证77-78
• 5.1.5 研究目的和方法78
• 5.2 稳态工况等离子体助燃甲醇发动机的燃烧和排放特性分析78-86
• 5.3 冷启动工况等离子体助燃甲醇发动机的燃烧和排放特性分析86-94
• 5.4 本章小结94-96
• 第6章 全文总结及工作展望96-100
• 6.1 全文总结96-97
• 6.2 工作展望97-100
• 参考文献100-108
• 作者简介108-110
• 致谢110

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张红光,潘奎润,王焱,韩宇石,李智慧;车用492M甲醇发动机的试验研究[J];北京工业大学学报;2005年05期

2 汪洋;王雪雁;蒋宁涛;傅茂林;史春涛;郭晓平;林建平;樊洪彪;;甲醇发动机的性能研究[J];燃烧科学与技术;2006年05期

3 朱自强;王建中;宋伟;;甲醇发动机的研发历程和发展趋势[J];内燃机;2009年02期

4 刘书萍;;重型甲醇发动机的研发[J];科学之友;2011年13期

5 李宇峰;刘巽俊;刘忠长;姜立永;刘金山;;点燃式甲醇发动机的性能和排放[J];内燃机工程;1991年01期

6 李克,李玉峰,李丽莉;点燃式甲醇发动机性能研究[J];太原工业大学学报;1993年02期

7 乔安平;495M85甲醇发动机的研究[J];兵工学报(坦克装甲车与发动机分册);2000年02期

8 张志香;4100甲醇发动机与汽油发动机简介[J];机械管理开发;2005年06期

9 王银山,姚春德,程传辉,段峰;柴油/甲醇发动机的研究与应用[J];小型内燃机与摩托车;2005年05期

10 汪洋;王静;史春涛;王雪雁;范国梁;;甲醇发动机排放特性的研究[J];内燃机学报;2007年01期

中国重要报纸全文数据库 前2条

1 ;我国大同制成国内首台全甲醇发动机[N];中国高新技术产业导报;2000年

2 本报记者 王乐意;山西加紧部署新能源汽车战略[N];中国化工报;2011年

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 甄旭东;火花点燃式甲醇发动机燃烧过程及爆震机理的研究[D];天津大学;2014年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 王燕鹏;电控汽油机燃用M100甲醇的试验研究[D];江苏大学;2016年

2 孙景震;双火花塞点火直喷甲醇发动机燃烧及排放的仿真研究[D];吉林大学;2016年

3 王康;基于非平衡等离子体的甲醇燃料燃烧过程模拟研究[D];吉林大学;2016年

4 李竞克;燃料添加剂对缸内直喷甲醇发动机非常规排放的影响[D];吉林大学;2011年

5 王舒;电控喷射点燃式甲醇发动机起动性能研究[D];吉林大学;2007年

6 周芳芳;465Q甲醇发动机的性能与排放研究[D];太原理工大学;2007年

7 王忠;点燃式甲醇发动机冷起动非常规排放物排放特性研究[D];吉林大学;2008年

8 王放;缸内直喷点燃式甲醇发动机冷启动试验研究[D];吉林大学;2012年

9 宋福祥;高压缩比甲醇发动机工作过程研究[D];吉林大学;2012年

10 蒋宁涛;电喷甲醇火花点火式发动机的改进与性能研究[D];天津大学;2005年

，

本文编号：1101236