柴油与二甲醚HCCI燃烧和排放性能对比的数值研究毕业论文

 2022-01-11 07:01

论文总字数:15656字

摘 要

在经济快速发展的今天,我们的社会面临着能源危机和环境污染的巨大压力,所以,如果我们能提高内燃机的燃料利用率、降低有害排放,这对国家的能源安全以及保护环境都将产生积极的影响。HCCI发动机具有高效率、低排放的燃烧特点,对解决我国目前面临的问题具有较大的积极作用。本课题将柴油和二甲醚作为燃烧原料,对其分别应用均质压燃技术,通过使用CHEMKIN软件建立单区模型,研究各进气初始条件和转速等因素对于HCCI燃烧和排放的影响。最终的结果分别绘制成了曲轴转角与缸内温度、缸内压力、CO生成量的相关折线图,清晰地展现了不同初始条件下柴油和二甲醚在HCCI发动机中的燃烧和排放情况。仿真结果表明,选择合适的初始条件会大大改善HCCI发动机的燃烧和排放性能。

关键词:柴油 二甲醚 HCCI 排放 CHEMKIN

The Numerical research on combustion and emission performance of diesel and DME under the application of HCCI technology

Abstract

Nowadays, with the rapid development of economy, the energy crisis and environmental pollution keeps pressing our society. Therefore, if we can improve the fuel utilization rate of internal combustion engine and reduce the harmful emissions, it will have a positive impact on the national energy security and environmental protection. HCCI engine has the characteristics of high efficiency and low emission, which plays a positive role in solving the current problems in China. In this thesis, diesel and DME are used as combustion materials, and HCCI technology is applied to them respectively. A single zone model is established by using CHEMKIN to study the influence of various factors such as initial intake conditions and rotation speed on HCCI combustion and emission. The final results are plotted as a line graph of the correlation between the crankshaft angle and the temperature, pressure and CO production in the cylinder. The simulation results show that the combustion and emission performance of HCCI engine can be greatly improved by choosing appropriate initial conditions.

Key Words: diesel; DME; HCCI; emission; CHEMKIN

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究进展 2

1.2.1 HCCI燃烧特点及面临的挑战 2

1.2.2 柴油为燃料的HCCI发动机技术研究现状 4

1.2.3 二甲醚为燃料的HCCI发动机技术研究现状 4

1.3 主要研究内容和意义 5

1.4 经济性分析 5

第二章 化学动力学模型介绍 6

2.1 软件介绍 6

2.2 HCCI发动机模拟研究 6

2.2.1 零维燃烧模型 6

2.2.2 计算模型 6

第三章 各项初始条件对燃料燃烧和排放的影响 12

3.1 初始温度对HCCI燃烧和排放的影响 12

3.1.1 初始温度对二甲醚燃烧和排放的影响 12

3.1.2 初始温度对柴油燃烧和排放的影响 13

3.2 进气压力对HCCI燃烧和排放的影响 14

3.2.1 进气压力对二甲醚燃烧和排放的影响 14

3.2.2 进气压力对柴油燃烧和排放的影响 15

3.3 当量比对HCCI燃烧和排放的影响 16

3.3.1 当量比对二甲醚燃烧和排放的影响 16

3.3.2 当量比对柴油燃烧和排放的影响 17

3.4 EGR率对HCCI燃烧和排放的影响 18

3.4.1 EGR率对二甲醚燃烧和排放的影响 18

3.4.2 EGR率对柴油燃烧和排放的影响 19

3.5 发动机转速对HCCI燃烧和排放的影响 20

3.5.1 发动机转速对二甲醚燃烧和排放的影响 20

3.5.2 发动机转速对柴油燃烧和排放的影响 21

3.6 本章小结 21

全文总结 23

参考文献 25

绪论

1.1 引言

近年来,我国逐渐成为一个石油消费大国,石油的供需矛盾已经越来越严重。各项分析表明,造成这一现象的重要原因之一便是我国的汽车保有量大幅增加[1]。因此,提高我国内燃机的燃料利用率,降低有害气体和颗粒的排放,开发符合我国环境特色的替代燃料,对保障国民经济稳定发展、确保国家能源安全以及保护生态环境都具有十分重大的战略意义[2]

图1-1 2012~2016年中国石油消费量与产量的变化情况

2018年2月份,国家统计局发布了《2017年国民经济和社会发展统计公报》,此报道显示,2017年我国汽车保有量已突破2.1亿辆,汽车工业的发展也取得了辉煌的成绩,汽车的产量达到了2901万辆[3]。图1-2所示为2013~2017年我国汽车保有量和汽车产量的变化情况[4]

图1-2 2013~2017年我国汽车保有量和汽车产量的变化情况

为了在汽车工业迅速发展的今天,我们能尽量减缓资源的消耗和生态环境的失衡,本课题主要研究了一种新型的发动机——均质充量压缩着火(homogeneous charge compression ignition,HCCI)发动机。HCCI发动机综合了火花点火和压燃式发动机的优势,正逐步取代传统的汽油机和柴油机[5]。HCCI发动机是在气缸外直接形成均质混合气后通入气缸,并通过压缩实现着火和燃烧的,这与传统的发动机不同[6]

1.2 国内外研究进展

1.2.1 HCCI燃烧特点及面临的挑战

表1 汽油机、柴油机和HCCI发动机主要特性对比

发动机类型主要特性

汽油机

柴油机

HCCI发动机

点火方式

点燃式

压燃式

压缩着火式

燃烧方式

预混燃烧

扩散燃烧

化学动力学控制

压缩比

混合气形式

均质混合气

不均匀混合气

均质混合气

燃烧温度

较高

局部高温

较低

火焰形式

火焰前锋面

扩散火焰

无火焰面

着火点

单点

多点

多点同时

NOX排放

极低

CO排放

较高

HC排放

较高

PM排放

极低

热效率

HCCI技术与传统的汽油机和柴油机燃烧技术有所不同,三种发动机的主要特性在表1中进行了详细的对比[7]。HCCI显著的特征为燃料和空气是预先混合好,在压缩行程随着温度的升高自燃[8]。HCCI燃烧的第一个阶段伴随的是低温化学动力学反应,在第一阶段和主放热阶段的区域被称为“负温度系数区域”,在这

个区域内,虽然缸内的温度很高,但是所有的反应速率却很低,导致缸内的整体反应变慢[9]。低温化学反应所释放出来的热量与燃料的辛烷值有关,辛烷值越低,低温化学反应所释放出来的热量越多[10]。例如,在相同的条件下,与汽油类似的燃料(较高的辛烷值),在低温化学反应时释放出的热量没有柴油类燃料释放的多[11]。低温化学反应时,在大多数条件下,由于低温化学反应时所释放的热量太少,而不能在燃烧放热率的曲线上明显地观察低温放热区[12]

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