发动机燃烧甲醇汽油混合燃料排放生成机理的仿真与实验研究

发布时间：2017-09-21 01:31

  本文关键词：发动机燃烧甲醇汽油混合燃料排放生成机理的仿真与实验研究

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【摘要】：随着汽车能源危机与尾气污染问题的日益严重,甲醇、尤其是甲醇汽油混合燃料由于其低污染及高产量成为了最适合我国国情的代用燃料之一。尽管甲醇汽油混合燃料具有降低排放,提高燃烧效率等潜力,但使用后会导致非常规排放升高、燃油消耗率增大等问题的出现。为发挥甲醇汽油燃料特性的优势,并解决其存在的问题,本文开展了一系列理论与试验研究。首先,开展了汽油机直接燃烧甲醇汽油混合燃料的台架试验。基于MR479q发动机结合FTIR、燃烧分析仪等先进测试设备,对汽油机直接燃烧甲醇汽油混合燃料时的排放特性,尤其是非常规排放特性进行了研究。结果表明,汽油中掺入甲醇可以降低氮氧化物、一氧化碳及有害碳氢的排放,在非常规排放方面,甲醛及未燃甲醇排放的显著升高,但乙烯、芳香烃、乙炔、丙烯等常见的排放物却有所降低。当甲醇比例为70%时,相比汽油机,CO降低66%-71%,NOx降低29%-54%,NMHC降低71%-80%。同时甲醛排放的增幅达到了183%-255%,未燃甲醇排放的最大值达到了538ppm。其次,通过对汽油以及甲醇燃料氧化过程的化学反应动力学模型的研究,构建了适用于火花点火式发动机的甲醇汽油混合燃料的化学反应简化机理,并引用激波管实验、快速压缩机实验、搅拌反应器实验及层流火焰速度实验的相关数据对该机理的基本特性作了验证。结果表明,本文的简化机理能够较为准确地预测甲醇汽油混合燃料的滞燃期、火焰速度及物质浓度变化,同时也能大幅降低反应过程的计算工作量。再次,通过Kong模型实现了化学反应计算与流动计算的时间尺度的统一,在此基础上,结合发动机进排气道、进排气门以及燃烧室的实体结构模型,构建了耦合化学反应机理的甲醇汽油缸内过程三维仿真平台,并用台架试验数据对燃烧过程及排放预测的准确性进行了验证。验证结果表明：不但缸内压力曲线及放热率曲线与试验结果吻合良好,排放预测也有较高的仿真精度。最后,利用三维数值仿真模型,对发动机燃烧不同比例的甲醇汽油混合燃料时,不同工况下的燃烧过程、缸内流场以及缸内浓度场等进行了数值模拟,并研究了主要的常规排放及非常规排放在缸内燃烧过程中的生成机理。结果表明,碳氢、芳香烃及未燃甲醇在缸内主要由缝隙效应和积碳等因素产生,一氧化碳和甲醛主要生成自复杂的化学反应过程。此外,通过不同压缩比下缸内过程的数值仿真,获取了压缩比对缸内流场及燃烧过程的影响规律,结果表明,提高压缩比可以改善甲醇汽油发动机的动力性,cO排放随压缩比增大而减小,但NOx排放却显著升高。结合数值仿真模型以及台架试验结果,提出了一种发动机参数设计与匹配的多目标优化算法。使用该算法,对发动机燃烧甲醇汽油混合燃料时的点火提前角与压缩比进行了优化,为甲醇汽油发动机的结构设计与控制参数匹配提供了理论依据。
【关键词】：点燃式发动机 甲醇汽油混合燃料 非常规排放 化学反应机理 数值仿真 缸内燃烧
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK401
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-22
• 缩写清单22-23
• 第1章 绪论23-38
• 1.1 课题研究背景及意义23-26
• 1.2 国内外相关研究现状26-36
• 1.2.1 甲醇燃料特性的研究26-28
• 1.2.2 甲醇汽油发动机性能的研究与应用28-31
• 1.2.3 甲醇汽油化学反应机理的研究31-36
• 1.3 论文主要内容及组织结构36-38
• 1.3.1 论文主要内容36-37
• 1.3.2 论文组织结构37-38
• 第2章 甲醇汽油混合燃料对汽油机排放影响的试验研究38-61
• 2.1 试验设备及试验方法38-41
• 2.2 常规排放结果41-44
• 2.2.1 氮氧化物排放特性41-42
• 2.2.2 一氧化碳排放特性42-43
• 2.2.3 非甲烷碳氢排放特性43-44
• 2.3 非常规排放结果44-53
• 2.3.1 醛类排放特性44-46
• 2.3.2 醇类排放特性46-47
• 2.3.3 烷烃类排放特性47-48
• 2.3.4 烯烃类的排放特性48-49
• 2.3.5 芳香烃、乙炔排放特性49-53
• 2.4 排放物生成结果分析53-54
• 2.5 甲醇组分加入对催化器转化效率的影响54-58
• 2.6 汽油机直接燃用甲醇汽油时的动力性及经济性58-60
• 2.7 本章小结60-61
• 第3章 甲醇汽油混合燃料氧化的反应机理研究61-96
• 3.1 混合燃料反应机理的简化方法61-62
• 3.2 甲醇汽油混合燃料化学反应机理的构建、简化与优化62-76
• 3.2.1 详细机理的构建62-65
• 3.2.2 详细机理的简化65-69
• 3.2.3 简化机理的优化69-76
• 3.3 简化机理的验证76-85
• 3.3.1 激波管及快速压缩机的滞燃期76-81
• 3.3.2 层流火焰的火焰传播速度81-83
• 3.3.3 射流搅拌反应器的物质浓度变化83-85
• 3.4 燃料氧化的反应路径研究85-90
• 3.4.1 烷烃氧化过程85-87
• 3.4.2 甲苯氧化过程87-88
• 3.4.3 已烯氧化过程88-89
• 3.4.4 甲醇氧化过程89-90
• 3.5 排放物的生成机理研究90-94
• 3.5.1 常规排放的生成机理90-92
• 3.5.3 甲醇的生成机理92-93
• 3.5.4 甲醛的生成机理93-94
• 3.6 本章小结94-96
• 第4章 甲醇汽油发动机缸内过程的数值仿真平台的构建96-112
• 4.1 湍流过程与化学反应的耦合计算97-101
• 4.2 耦合反应机理的缸内过程CFD模型101-107
• 4.3 模型验证107-110
• 4.4 本章小结110-112
• 第5章 甲醇汽油混合燃料缸内过程的数值计算112-141
• 5.1 甲醇掺入对排放生成的影响112-119
• 5.1.1 氮氧化物的生成过程113-114
• 5.1.2 一氧化碳的生成过程114-116
• 5.1.3 甲醛的生成过程116-119
• 5.2 发动机运行参数对缸内过程的影响119-124
• 5.2.1 对进气过程的影响119-121
• 5.2.2 对燃烧过程的影响121-123
• 5.2.3 对排放生成的影响123-124
• 5.3 压缩比对缸内燃烧及排放生成的影响124-128
• 5.3.1 对缸内燃烧过程的影响124-127
• 5.3.2 对排放生成的影响127-128
• 5.4 基于多目标优化算法的发动机优化设计128-139
• 5.4.1 多目标优化算法128-129
• 5.4.2 甲醇汽油燃料点火提前角的多目标优化129-136
• 5.4.3 甲醇汽油发动机压缩比的优化设计136-139
• 5.5 本章小结139-141
• 第6章 总结与展望141-145
• 6.1 全文内容总结141-142
• 6.2 研究工作创新点142-143
• 6.3 工作展望143-145
• 参考文献145-160
• 附录160-168
• 附录A：甲醇汽油简化机理160-166
• 附录B：简化机理中加入的关键反应166-167
• 附录C：反应常数被优化的反应167-168
• 作者简历168-169
• 教育经历168
• 攻读博士学位期间的学术成果168-169
• 攻读博士学位期间参与的科研项目169

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本文编号：891607