液氧固碳闭式循环柴油机着火特性研究
发布时间：2020-06-21 21:24
【摘要】：液氧固碳闭式循环柴油机的循环系统完全封闭,不会与外界发生气体交换,不会有废气排出,避免了对于在空气不流通的封闭环境下使用柴油机的作业人员的伤害。但其相关的基础理论研究仍有欠缺,尤其是柴油着火和燃烧方面的问题,是发展新型柴油机燃烧方式的关键所在,因此,研究其着火特性对于液氧固碳闭式循环柴油机的发展意义重大。为了研究液氧固碳闭式循环柴油机的着火特性,本文采用仿真和试验相结合的方式来展开研究。首先,由于着火延迟时间是柴油的重要着火特性,因此先对柴油的着火延迟时间计算公式进行了理论推导,接着建立了KIVA-CHEMKIN模拟平台并耦合了简化机理,随后应用KIVA-CHEMKIN模拟平台对柴油在空气环境和O_2/CO_2环境下着火燃烧过程进行了仿真。其次,搭建了定容燃烧弹可视化试验平台,对柴油在空气环境和O_2/CO_2环境下的着火燃烧过程进行了可视化试验研究。最后,对柴油仿真和试验数据进行了对比分析,描述了柴油在空气环境和O_2/CO_2环境下的着火过程;对比分析了柴油在空气环境和O_2/CO_2环境下着火延迟时间的试验值和仿真值;对仿真得到的柴油着火火焰温度云图进行分析;比较分析柴油在空气环境和O_2/CO_2环境下火焰浮起长度的变化。研究结果表明:柴油在O_2/CO_2环境下的着火延迟时间、火焰温度云图和火焰浮起长度的仿真值与试验值基本吻合,初步证明本文建立的KIVA-CHEMKIN模型计算柴油在O_2/CO_2环境下着火的准确性;与空气环境相比,柴油在O_2/CO_2环境下的着火延迟时间变短;柴油在O_2/CO_2环境下的火焰浮起长度明显小于空气环境中的。柴油在O_2/CO_2环境下的着火特性与常规空气环境下的大不相同,本文的研究成果为进一步研究液氧固碳闭式循环柴油机提供了重要的科学依据和理论支持。
【学位授予单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK421.24
【图文】：
2- EGR 管，3-液氧固碳装置，4-液氧罐，5-干燥剂，6-冷却器，7-排气管，8-进气管图 1-1 液氧固碳闭式循环燃烧系统原理图Fig.1-1 Schematic diagram of closed cycle combustion system using liquid oxygen to solidify carbon关于液氧固碳闭式循环燃烧系统，本课题组前期已经进行了一些基础研究。弋理[2利用计算流体力学（CFD）软件 KIVA-3V 模拟了内燃机的富氧燃烧，通过理论计算析发现富氧燃烧的最佳喷油持续期为 3.3°曲轴转角，随后进行了内燃机尾气固化试验其试验结果证明了用液氧固化柴油机尾气中 CO2成干冰的可行性。随后贾晓社等[29]通仿真与试验相结合的方法来验证液氧固碳闭式循环燃烧系统的可行性，并研究了 EG率（大于 8%）对内燃机缸内的燃烧压力、温度和 CO2含量的影响，得到了最优的 EG率为 40%。石焱[30]同样采用仿真与试验相结合的方法研究了液氧固碳闭式循环柴油缸内背景气体的密度对柴油着火的影响，其研究发现背景气体密度的改变不会影响柴液相喷雾的液相锥角，但是对柴油液相喷雾的贯穿距离却有很大的影响。与此同时，他一些研究者也进行了相关的研究。左承基等[31-33]对柴油在 O2/CO2环境下的燃烧进了仿真和光学发动机试验研究，分析了燃烧规律和排放特性，他们发现柴油在 O2/CO环境下的燃烧速率较空气环境而言提升了将近 37.6%。Tan 等[34]为了实现柴油无氮燃进行了柴油机试验，用 CO2代替部分 N2参与进气来优化和降低排放，分析了不同浓
1.3 工作路线为了研究液氧固碳闭式循环柴油机的着火特性，本文采用仿真和试验相结合的方法进行研究。本文工作路线如图 1-2 所示，第一部分是仿真部分，由于着火延迟时间是柴油的重要着火特性，因此在这部分首先对柴油的着火延迟时间计算公式进行了推导，然后介绍了 KIVA-3V 软件的理论基础并建立了 KIVA-CHEMKIN 模拟平台，最后应用耦合了简化机理的 KIVA-CHEMKIN 模拟平台分别对柴油在五个工况下的着火燃烧过程进行了仿真，按照进气成分的不同这五个工况分别为，工况一进气成分为空气（ 78%N2/21%O2）， 工 况 二 进 气 成 分 为 53%O2/47%CO2， 工 况 三 进 气 成 分 为57%O2/43%CO2，工况四进气成分为 61%O2/39%CO2，工况五进气成分为 65%O2/35%CO2；第二部分是试验部分，首先介绍了定容燃烧弹可视化试验平台的各个系统的组成和功能，然后设计了与仿真相对应的五个工况的柴油着火试验方案，最后将每个工况分别在定容燃烧弹可视化试验平台上进行一次柴油着火试验；第三部分是数据分析部分，这部分主要通过仿真和试验数据的对比分析来研究柴油的着火特性，主要包括四个方面，即柴油的着火过程、着火延迟时间、火焰温度云图和火焰浮起长度；最后一部分是结论和展望，在这一部分首先对数据分析部分进行总结得到结论，然后对后续的工作内容进行展望。
【学位授予单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK421.24
【图文】：
2- EGR 管，3-液氧固碳装置，4-液氧罐，5-干燥剂，6-冷却器，7-排气管，8-进气管图 1-1 液氧固碳闭式循环燃烧系统原理图Fig.1-1 Schematic diagram of closed cycle combustion system using liquid oxygen to solidify carbon关于液氧固碳闭式循环燃烧系统，本课题组前期已经进行了一些基础研究。弋理[2利用计算流体力学（CFD）软件 KIVA-3V 模拟了内燃机的富氧燃烧，通过理论计算析发现富氧燃烧的最佳喷油持续期为 3.3°曲轴转角，随后进行了内燃机尾气固化试验其试验结果证明了用液氧固化柴油机尾气中 CO2成干冰的可行性。随后贾晓社等[29]通仿真与试验相结合的方法来验证液氧固碳闭式循环燃烧系统的可行性，并研究了 EG率（大于 8%）对内燃机缸内的燃烧压力、温度和 CO2含量的影响，得到了最优的 EG率为 40%。石焱[30]同样采用仿真与试验相结合的方法研究了液氧固碳闭式循环柴油缸内背景气体的密度对柴油着火的影响，其研究发现背景气体密度的改变不会影响柴液相喷雾的液相锥角，但是对柴油液相喷雾的贯穿距离却有很大的影响。与此同时，他一些研究者也进行了相关的研究。左承基等[31-33]对柴油在 O2/CO2环境下的燃烧进了仿真和光学发动机试验研究，分析了燃烧规律和排放特性，他们发现柴油在 O2/CO环境下的燃烧速率较空气环境而言提升了将近 37.6%。Tan 等[34]为了实现柴油无氮燃进行了柴油机试验，用 CO2代替部分 N2参与进气来优化和降低排放，分析了不同浓
1.3 工作路线为了研究液氧固碳闭式循环柴油机的着火特性，本文采用仿真和试验相结合的方法进行研究。本文工作路线如图 1-2 所示，第一部分是仿真部分，由于着火延迟时间是柴油的重要着火特性，因此在这部分首先对柴油的着火延迟时间计算公式进行了推导，然后介绍了 KIVA-3V 软件的理论基础并建立了 KIVA-CHEMKIN 模拟平台，最后应用耦合了简化机理的 KIVA-CHEMKIN 模拟平台分别对柴油在五个工况下的着火燃烧过程进行了仿真，按照进气成分的不同这五个工况分别为，工况一进气成分为空气（ 78%N2/21%O2）， 工 况 二 进 气 成 分 为 53%O2/47%CO2， 工 况 三 进 气 成 分 为57%O2/43%CO2，工况四进气成分为 61%O2/39%CO2，工况五进气成分为 65%O2/35%CO2；第二部分是试验部分，首先介绍了定容燃烧弹可视化试验平台的各个系统的组成和功能，然后设计了与仿真相对应的五个工况的柴油着火试验方案，最后将每个工况分别在定容燃烧弹可视化试验平台上进行一次柴油着火试验；第三部分是数据分析部分，这部分主要通过仿真和试验数据的对比分析来研究柴油的着火特性，主要包括四个方面，即柴油的着火过程、着火延迟时间、火焰温度云图和火焰浮起长度；最后一部分是结论和展望，在这一部分首先对数据分析部分进行总结得到结论，然后对后续的工作内容进行展望。
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 杨富斌;董小瑞;王震;杨凯;张健;张红光;;基于有机朗肯循环的车用柴油机排气余热回收系统性能分析[J];车用发动机;2015年01期
2 杨峥;王s
本文编号：2724661
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