內(nèi)燃機燃用焦爐氣的燃燒過程仿真及性能優(yōu)化研究.pdf

1、隨著能源危機與環(huán)境污染的不斷加劇，煉焦副產(chǎn)物焦爐氣作為內(nèi)燃機代用燃料逐漸進入了人們的視野，將其作為代用燃料，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對資源的綜合利用，同時可以減少焦爐氣直接排放帶來的環(huán)境污染，符合我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。內(nèi)燃機燃用焦爐氣具有燃燒效率高，CO與THC排放少等優(yōu)點，但同時也存在動力性下降，NOx排放增加，易發(fā)生爆震等缺點。為充分發(fā)揮焦爐氣作為代用燃料的優(yōu)勢，解決在實際應用中存在的問題，本文采用理論與試驗相結(jié)合的方法，對焦爐氣發(fā)動機進行

2、了深入研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴焦爐氣化學反應機理研究。在CH4氧化機理、H2/CO燃燒機理及NOx生成機理的基礎上，采用敏感性分析與非重要反應消除等方法，搭建并簡化得到焦爐氣化學反應機理。利用敏感性分析、不確定度分析與粒子群尋優(yōu)等方法，對部分化學反應的動力學參數(shù)進行優(yōu)化，并利用相關試驗數(shù)據(jù)對優(yōu)化后機理的滯燃期、層流火焰速度等基本特性進行驗證。結(jié)果表明：本文建立的焦爐氣化學反應機理能夠較為準確地預測滯燃期與層流火焰速度，同

3、時，該機理適用于發(fā)動機缸內(nèi)燃燒，可準確仿真缸內(nèi)燃燒過程及NOx等排放物的生成。⑵焦爐氣發(fā)動機數(shù)值仿真模型研究。利用GT-POWER耦合CHEMKIN建立的自燃子模型，建立焦爐氣發(fā)動機一維仿真模型，為三維 CFD仿真提供邊界條件。利用KIVA軟件建立改進的點火模型，并耦合 CHEMKIN建立的燃燒模型與自燃子模型，搭建焦爐氣發(fā)動機三維數(shù)值仿真模型。利用試驗數(shù)據(jù)對上述模型進行驗證，結(jié)果表明：一維與三維數(shù)值仿真模型均可準確仿真發(fā)動機缸內(nèi)燃燒過

4、程，預測爆震發(fā)生的始點；此外，三維數(shù)值仿真模型還可準確計算缸內(nèi)排放物的生成量，仿真爆震發(fā)生時缸內(nèi)的壓力波動。⑶焦爐氣發(fā)動機臺架試驗研究。利用基于MR479Q汽油機改造而成的焦爐氣發(fā)動機，以及 AVL FTIR、DEWETRON-CA、ETAS-LA4等測試設備，建立發(fā)動機測試平臺，對焦爐氣發(fā)動機動力性、排放性與爆震特性等進行試驗研究，結(jié)果表明：焦爐氣發(fā)動機動力性較汽油機下降了20％~30%；NOx的排放量較汽油機增大了36%~45%，C

5、O的排放量降低了70%~76%，THC的排放量降低了70%~78%；焦爐氣發(fā)動機較汽油機更容易發(fā)生爆震，且發(fā)生爆震時的強度更大。⑷焦爐氣發(fā)動機數(shù)值仿真研究。基于焦爐氣發(fā)動機數(shù)值仿真平臺，研究組分變化、燃燒室結(jié)構(gòu)、火花塞布置、壓縮比等對發(fā)動機各項性能的影響，結(jié)果表明：焦爐氣中CH4含量的增加不僅可以提高發(fā)動機動力性，同時可以降低NOx的排放與爆震發(fā)生的趨勢，因此，選擇 CH4含量高的焦爐氣作為代用燃料；屋脊形燃燒室較半球形與碗形燃燒室具有

6、更強的動力性，且爆震特性與半球形燃燒室相近，均不易發(fā)生爆震，但NOx排放略有增加，此外，增大屋脊形燃燒室底邊夾角可適當提升動力性，但夾角大于20 o后，其對動力性、排放性與爆震特性的影響均不明顯，因此，綜合考慮發(fā)動機性能與改造成本，選用原機底邊夾角為20 o的屋脊形燃燒室作為焦爐氣發(fā)動機燃燒室；火花塞布置于燃燒室中間較進排氣門附近具有更強的動力性，且不易發(fā)生爆震，此外，火花塞距離燃燒室頂部越近，發(fā)動機動力性越強，而爆震趨勢明顯下降，因此