本文關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)燃燒甲醇汽油混合燃料排放生成機(jī)理的仿真與實(shí)驗(yàn)研究

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【摘要】：隨著汽車能源危機(jī)與尾氣污染問題的日益嚴(yán)重,甲醇、尤其是甲醇汽油混合燃料由于其低污染及高產(chǎn)量成為了最適合我國國情的代用燃料之一。盡管甲醇汽油混合燃料具有降低排放,提高燃燒效率等潛力,但使用后會導(dǎo)致非常規(guī)排放升高、燃油消耗率增大等問題的出現(xiàn)。為發(fā)揮甲醇汽油燃料特性的優(yōu)勢,并解決其存在的問題,本文開展了一系列理論與試驗(yàn)研究。首先,開展了汽油機(jī)直接燃燒甲醇汽油混合燃料的臺架試驗(yàn)�；贛R479q發(fā)動機(jī)結(jié)合FTIR、燃燒分析儀等先進(jìn)測試設(shè)備,對汽油機(jī)直接燃燒甲醇汽油混合燃料時的排放特性,尤其是非常規(guī)排放特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,汽油中摻入甲醇可以降低氮氧化物、一氧化碳及有害碳?xì)涞呐欧?在非常規(guī)排放方面,甲醛及未燃甲醇排放的顯著升高,但乙烯、芳香烴、乙炔、丙烯等常見的排放物卻有所降低。當(dāng)甲醇比例為70%時,相比汽油機(jī),CO降低66%-71%,NOx降低29%-54%,NMHC降低71%-80%。同時甲醛排放的增幅達(dá)到了183%-255%,未燃甲醇排放的最大值達(dá)到了538ppm。其次,通過對汽油以及甲醇燃料氧化過程的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型的研究,構(gòu)建了適用于火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)的甲醇汽油混合燃料的化學(xué)反應(yīng)簡化機(jī)理,并引用激波管實(shí)驗(yàn)、快速壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)、攪拌反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)及層流火焰速度實(shí)驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)對該機(jī)理的基本特性作了驗(yàn)證。結(jié)果表明,本文的簡化機(jī)理能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測甲醇汽油混合燃料的滯燃期、火焰速度及物質(zhì)濃度變化,同時也能大幅降低反應(yīng)過程的計(jì)算工作量。再次,通過Kong模型實(shí)現(xiàn)了化學(xué)反應(yīng)計(jì)算與流動計(jì)算的時間尺度的統(tǒng)一,在此基礎(chǔ)上,結(jié)合發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣道、進(jìn)排氣門以及燃燒室的實(shí)體結(jié)構(gòu)模型,構(gòu)建了耦合化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的甲醇汽油缸內(nèi)過程三維仿真平臺,并用臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對燃燒過程及排放預(yù)測的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：不但缸內(nèi)壓力曲線及放熱率曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,排放預(yù)測也有較高的仿真精度。最后,利用三維數(shù)值仿真模型,對發(fā)動機(jī)燃燒不同比例的甲醇汽油混合燃料時,不同工況下的燃燒過程、缸內(nèi)流場以及缸內(nèi)濃度場等進(jìn)行了數(shù)值模擬,并研究了主要的常規(guī)排放及非常規(guī)排放在缸內(nèi)燃燒過程中的生成機(jī)理。結(jié)果表明,碳?xì)洹⒎枷銦N及未燃甲醇在缸內(nèi)主要由縫隙效應(yīng)和積碳等因素產(chǎn)生,一氧化碳和甲醛主要生成自復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程。此外,通過不同壓縮比下缸內(nèi)過程的數(shù)值仿真,獲取了壓縮比對缸內(nèi)流場及燃燒過程的影響規(guī)律,結(jié)果表明,提高壓縮比可以改善甲醇汽油發(fā)動機(jī)的動力性,cO排放隨壓縮比增大而減小,但NOx排放卻顯著升高。結(jié)合數(shù)值仿真模型以及臺架試驗(yàn)結(jié)果,提出了一種發(fā)動機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)與匹配的多目標(biāo)優(yōu)化算法。使用該算法,對發(fā)動機(jī)燃燒甲醇汽油混合燃料時的點(diǎn)火提前角與壓縮比進(jìn)行了優(yōu)化,為甲醇汽油發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制參數(shù)匹配提供了理論依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī) 甲醇汽油混合燃料 非常規(guī)排放 化學(xué)反應(yīng)機(jī)理 數(shù)值仿真 缸內(nèi)燃燒
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK401
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-22
• 縮寫清單22-23
• 第1章 緒論23-38
• 1.1 課題研究背景及意義23-26
• 1.2 國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀26-36
• 1.2.1 甲醇燃料特性的研究26-28
• 1.2.2 甲醇汽油發(fā)動機(jī)性能的研究與應(yīng)用28-31
• 1.2.3 甲醇汽油化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的研究31-36
• 1.3 論文主要內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu)36-38
• 1.3.1 論文主要內(nèi)容36-37
• 1.3.2 論文組織結(jié)構(gòu)37-38
• 第2章 甲醇汽油混合燃料對汽油機(jī)排放影響的試驗(yàn)研究38-61
• 2.1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法38-41
• 2.2 常規(guī)排放結(jié)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?xì)渑欧盘匦?/span>43-44
• 2.3 非常規(guī)排放結(jié)果44-53
• 2.3.1 醛類排放特性44-46
• 2.3.2 醇類排放特性46-47
• 2.3.3 烷烴類排放特性47-48
• 2.3.4 烯烴類的排放特性48-49
• 2.3.5 芳香烴、乙炔排放特性49-53
• 2.4 排放物生成結(jié)果分析53-54
• 2.5 甲醇組分加入對催化器轉(zhuǎn)化效率的影響54-58
• 2.6 汽油機(jī)直接燃用甲醇汽油時的動力性及經(jīng)濟(jì)性58-60
• 2.7 本章小結(jié)60-61
• 第3章 甲醇汽油混合燃料氧化的反應(yīng)機(jī)理研究61-96
• 3.1 混合燃料反應(yīng)機(jī)理的簡化方法61-62
• 3.2 甲醇汽油混合燃料化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的構(gòu)建、簡化與優(yōu)化62-76
• 3.2.1 詳細(xì)機(jī)理的構(gòu)建62-65
• 3.2.2 詳細(xì)機(jī)理的簡化65-69
• 3.2.3 簡化機(jī)理的優(yōu)化69-76
• 3.3 簡化機(jī)理的驗(yàn)證76-85
• 3.3.1 激波管及快速壓縮機(jī)的滯燃期76-81
• 3.3.2 層流火焰的火焰?zhèn)鞑ニ俣?/span>81-83
• 3.3.3 射流攪拌反應(yīng)器的物質(zhì)濃度變化83-85
• 3.4 燃料氧化的反應(yīng)路徑研究85-90
• 3.4.1 烷烴氧化過程85-87
• 3.4.2 甲苯氧化過程87-88
• 3.4.3 已烯氧化過程88-89
• 3.4.4 甲醇氧化過程89-90
• 3.5 排放物的生成機(jī)理研究90-94
• 3.5.1 常規(guī)排放的生成機(jī)理90-92
• 3.5.3 甲醇的生成機(jī)理92-93
• 3.5.4 甲醛的生成機(jī)理93-94
• 3.6 本章小結(jié)94-96
• 第4章 甲醇汽油發(fā)動機(jī)缸內(nèi)過程的數(shù)值仿真平臺的構(gòu)建96-112
• 4.1 湍流過程與化學(xué)反應(yīng)的耦合計(jì)算97-101
• 4.2 耦合反應(yīng)機(jī)理的缸內(nèi)過程CFD模型101-107
• 4.3 模型驗(yàn)證107-110
• 4.4 本章小結(jié)110-112
• 第5章 甲醇汽油混合燃料缸內(nèi)過程的數(shù)值計(jì)算112-141
• 5.1 甲醇摻入對排放生成的影響112-119
• 5.1.1 氮氧化物的生成過程113-114
• 5.1.2 一氧化碳的生成過程114-116
• 5.1.3 甲醛的生成過程116-119
• 5.2 發(fā)動機(jī)運(yùn)行參數(shù)對缸內(nèi)過程的影響119-124
• 5.2.1 對進(jìn)氣過程的影響119-121
• 5.2.2 對燃燒過程的影響121-123
• 5.2.3 對排放生成的影響123-124
• 5.3 壓縮比對缸內(nèi)燃燒及排放生成的影響124-128
• 5.3.1 對缸內(nèi)燃燒過程的影響124-127
• 5.3.2 對排放生成的影響127-128
• 5.4 基于多目標(biāo)優(yōu)化算法的發(fā)動機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)128-139
• 5.4.1 多目標(biāo)優(yōu)化算法128-129
• 5.4.2 甲醇汽油燃料點(diǎn)火提前角的多目標(biāo)優(yōu)化129-136
• 5.4.3 甲醇汽油發(fā)動機(jī)壓縮比的優(yōu)化設(shè)計(jì)136-139
• 5.5 本章小結(jié)139-141
• 第6章 總結(jié)與展望141-145
• 6.1 全文內(nèi)容總結(jié)141-142
• 6.2 研究工作創(chuàng)新點(diǎn)142-143
• 6.3 工作展望143-145
• 參考文獻(xiàn)145-160
• 附錄160-168
• 附錄A：甲醇汽油簡化機(jī)理160-166
• 附錄B：簡化機(jī)理中加入的關(guān)鍵反應(yīng)166-167
• 附錄C：反應(yīng)常數(shù)被優(yōu)化的反應(yīng)167-168
• 作者簡歷168-169
• 教育經(jīng)歷168
• 攻讀博士學(xué)位期間的學(xué)術(shù)成果168-169
• 攻讀博士學(xué)位期間參與的科研項(xiàng)目169

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本文編號：891607