燃气成分及其含量对气体机燃烧过程的影响

发布时间：2017-07-18 12:08

  本文关键词：燃气成分及其含量对气体机燃烧过程的影响

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【摘要】：能源危机和环境污染问题日益严重,天然气作为一种清洁能源备受重视。不同地区天然气成分差异及含量影响天然气发动机的燃烧过程及排放特性。在甲烷中添加其它气体,研究其成分及含量对燃烧过程及排放的影响,对于天然气发动的标定和排放控制策略的制定具有指导价值,对于了解各地气源的燃烧特性也具有重要意义。本课题以WP7天然气发动机作为研究对象,利用多组分气体燃烧的详细化学动力学模型对点火、火焰传播和排气污染物的生成过程仿真模拟,并用缸内压力曲线进行模型的有效性验证。利用验证后的计算模型,分析并归纳了在甲烷中添加不同比例的氢气、丙烷和EGR气体对燃烧放热速率、缸内温度、缸内压力变化及CO、NO生成规律的影响。分析掺氢比的计算结果可知：随着燃气中氢气比例的增大,缸内放热越来越快,提高了缸内燃烧速度,使得燃烧持续期变短,增大缸内的燃烧温度和压力。掺氢比为25%时的最大爆发压力比没有掺氢时有所提高,转速为1600r/min时,提高了14.78%；转速为2100r/min时,提高了17.23%。最大爆发压力所对应的相位角逐渐靠近上止点。但是由于氢气提高了缸内的燃烧温度,为氮氧化物的形成提供了有利条件,导致NO的排放有所升高。曲轴转角位于ATDC 50°,转速为1600r/min时,掺氢比为25%时的NO含量比没有掺氢时高,转速为1600r/min时,高了1倍；转速为2100r/min时,高了1.3倍。加入不同比例的丙烷,对发动机燃烧过程和排放的影响趋势与氢气相似。缸内最高压力和最高温度随丙烷占比的增大而增大。发动机的转速为1600r/min,曲轴转角位于ATDC 50°,燃气中丙烷占比为25%时的NO含量比较高,发动机的转速为1600r/min时,是没有丙烷时的1.84倍,最大爆发压力比没有掺氢时提高了11.1%；转速为2100r/min时,是没有丙烷时的1.92倍,最大爆发压力比没有掺氢时提高了12.8%。在发动机气缸内加入废气,并使废气量逐渐增大,研究了EGR率对发动机燃烧和排放的影响规律。研究结果表明,发动机EGR率的升高使燃烧放热速率降低,这是废气的稀释作用及其热容作用吸收燃烧放热的原因导致的。由于放热速率的降低,导致缸内最高平均爆发压力和最高平均温度随着EGR率的增大而降低。废气再循环对排放的影响也很明显,随着EGR率的升高NO的排放明显降低,曲轴转角位于ATDC50°,当发动机的转速为1600r/min时,EGR率为20%的NO排放比没有EGR时降低了94.8%；转速为2100r/min时,EGR率为16%的NO排放比没有EGR时降低了87.9%。
【关键词】：天然气发动机 燃气成分 化学动力学 燃烧过程 排放性
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK401
【目录】：

• 摘要10-12
• ABSTRACT12-14
• 符号说明14-16
• 第1章 绪论16-24
• 1.1 引言16-17
• 1.2 天然气作为内燃机燃料的特点17-19
• 1.3 天然气发动机燃烧方式的分类19-21
• 1.3.1 均质混合气点燃天然气发动机19
• 1.3.2 非均质混合气点燃天然气发动机19-20
• 1.3.3 均质混合气压燃天然气发动机20
• 1.3.4 均质混合气引燃天然气发动机20-21
• 1.3.5 非均质混合气压燃/引燃天然气发动机21
• 1.3.6 反应可控压缩着火天然气发动机21
• 1.4 火花点火天然发动机的国内外研究现状21-23
• 1.4.1 国外研究现状21-22
• 1.4.2 国内研究现状22-23
• 1.5 本文主要研究内容23-24
• 第2章 数值模拟理论基础24-34
• 2.1 数值分析24-26
• 2.1.1 有限差分法24-25
• 2.1.2 有限体积法25-26
• 2.2 燃烧模型26-29
• 2.2.1 SAGE模型26-29
• 2.2.2 化学反应动力学29
• 2.3 湍流模型29-31
• 2.3.1 RANS模型30
• 2.3.2 湍流输运方程30-31
• 2.4 壁面传热模型31-32
• 2.5 点火模型32-33
• 2.6 本章小结33-34
• 第3章 燃烧过程建模及验证34-40
• 3.1 仿真模型的建立34-37
• 3.1.1 计算对象34-35
• 3.1.2 几何模型的建立及网格准备35-37
• 3.2 计算条件的设置37-39
• 3.2.1 初始条件37
• 3.2.2 边界条件37
• 3.2.3 燃烧模型37-38
• 3.2.4 模型有效性的验证38-39
• 3.3 本章小结39-40
• 第4章 天然气发动机燃烧过程仿真研究40-84
• 4.1 掺氢比对燃烧过程的影响40-57
• 4.1.1 掺氢比对燃烧放热的影响40-43
• 4.1.2 掺氢比对缸内压力的影响43-48
• 4.1.3 掺氢比对缸内温度的影响48-52
• 4.1.4 掺氢比对排放的影响52-57
• 4.2 丙烷对燃烧过程的影响57-70
• 4.2.1 丙烷对燃烧放热的影响57-60
• 4.2.2 丙烷对缸内压力的影响60-64
• 4.2.3 丙烷对缸内温度的影响64-68
• 4.2.4 丙烷对排放的影响68-70
• 4.3 废气再循环对燃烧过程的影响70-82
• 4.3.1 EGR对燃烧放热的影响70-73
• 4.3.2 EGR对缸内压力的影响73-77
• 4.3.3 EGR对缸内温度的影响77-80
• 4.3.4 EGR对排放的影响80-82
• 4.4 本章小结82-84
• 第5章 全文总结及工作展望84-86
• 5.1 全文总结84-85
• 5.2 工作展望85-86
• 参考文献86-90
• 致谢90-92
• 攻读硕士期间发表的论文92-93
• 学位论文评阅及答辩情况表93

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