生物质气发动机工作过程的数值模拟及试验研究

论文摘要

环境问题和能源问题是本世纪世界各国共同面临的两个重大问题，寻找新的“清洁代用燃料”是人类所做出的必然选择，中国要实现可持续性发展，必须寻找适合中国国情的代用能源。将秸杆、锯末等生物质气化是将生物质能转换为高效高品位清洁能源的最有效措施之一，这种生物质气可作为内燃机的代用燃料。 开发生物质气发动机对于我们这个传统的农业国来说具有先天的优势，不仅可以减少废弃生物质对环境的污染及其焚烧产生的二次污染，还可减少在国民经济建设中广泛应用的发动机对石油资源的依赖性。但是对于单纯使用生物质气做燃料的火花点火发动机，国内目前还没有详细的研究报告。由于生物质气的热值较低，这种燃料在不掺烧柴油等燃料的情况下是否适合内燃机燃用，有待深入研究。 基于以上原因，本研究在数值模拟的基础上开发了4135型生物质气发动机。试验结果表明发动机取得了理想的动力性、经济性及排放性指标。 发动机工作过程是多维多相变的复杂过程，对其进行详细的分析计算比较困难，以往的计算多是进行了较大简化。本文在未对模型进行简化的前提下，建立了4135型生物质气发动机进、排气道和燃烧室的几何模型并划分网格，对发动机的工作过程进行了模拟。 通过计算得到了燃烧系统内的三维流场、湍动能、火焰前锋面等可视化结果。通过分析模拟结果得出以下结论：4135型发动机存在气流速度沿气缸轴线方向分层现象，为使生物质气和空气均匀混合4135型生物质气发动机应采用外混式进气方式；点火位置的布置对点火初期火焰的发展和传播有重要影响；火焰的传播、膨胀和缸内气流运动相互影响，缸内的气流运动将火焰中心吹向气流下风的混合气，缸内顺气流侧燃烧的混合气较逆气流侧多，对于生物质气这样的低热值燃料应该组织缸内涡流运动，以加快火焰传播速度，缩短燃烧时间；缸内涡流中心的位置和气流速度梯度对火焰径向传播的均匀性有很大影响，缸内涡流的中心偏离气缸中心的距离越大，火核处的速度梯度越大，火焰径向传播越不均匀，燃烧过程中由于燃烧的膨胀作用使焰前气体的湍动能增大，促进了火焰的传播速度；发动机具有较低的NO_x排放；发动机的动力性较好，具有开发意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 环境问题
• 1.3 能源问题
• 1.3.1 能源背景
• 1.3.2 内燃机主要代用燃料简介
• 1.4 生物质气发动机的发展现状
• 1.5 课题概述
• 1.5.1 课题来源及研究目的
• 1.5.2 课题研究内容
• 1.5.3 课题特色与创新之处
• 第二章 进气、燃烧过程数学模型及网格划分
• 2.1 概述
• 2.2 气体流动过程基本方程
• 2.3 燃烧模型
• 2.3.1 点火子模型
• 2.3.2 火焰模型
• 2.3.3 混合气自燃模型
• x生成模型'>2.4 NO_x生成模型
• 2.4.1 Zeldovich机理
• x机理'>2.4.2 热 NO_x机理
• 2.5 网格生成
• 2.5.1 计算区域几何模型的建立
• 2.5.2 计算区域网格的划分
• 2.6 本章小结
• 第三章 进气道及缸内气流运动分析
• 3.1 概述
• 3.2 流动计算初始条件和边界条件的确定
• 3.2.1 计算模式设定
• 3.2.2 计算初始条件的设定
• 3.2.3 计算边界条件的设定
• 3.3 换气过程分析
• 3.4 进气道内流动过程分析
• 3.5 缸内流动过程分析
• 3.5.1 涡流运动的形成过程分析
• 3.5.2 流动分层现象分析
• 3.5.3 压缩冲程涡流运动的变化
• 3.5.4 轴向截面内气流运动分析
• 3.6 缸内湍流强度分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 燃烧过程及排放数值分析
• 4.1 概述
• 4.2 火花塞点火性能对燃烧的影响
• 4.3 燃烧过程的数值分析
• 4.3.1 气流运动对点火及初期燃烧的影响
• 4.3.2 燃烧过程中的气流运动及对燃烧过程的影响
• x排放分析'>4.4 NO_x排放分析
• 4.5 发动机动力性预测及计算结果的验证
• 4.6 本章小结
• 第五章 燃烧过程的试验分析
• 5.1 概述
• 5.2 示功图的测录
• 5.3 上止点的确定
• 5.4 燃烧过程的分析
• 5.4.1 缸内压力及压力升高率分析
• 5.4.2 放热率分析
• 5.4.3 火焰发展期比较
• 5.4.4 燃烧相位角比较
• 5.4.5 速燃期比较
• 5.5 失火及不完全燃烧现象分析
• 5.6 燃烧循环变动分析
• 5.6.1 负荷对燃烧稳定性的影响
• 5.6.2 提前角对燃烧稳定性的影响
• 5.6.3 压缩比对燃烧稳定性的影响
• 5.7 大负荷工作粗暴程度分析
• 5.8 本章小结
• 第六章 生物质气发动机性能分析
• 6.1 概述
• 6.2 点火系统的选择
• 6.3 生物质气/空气混合器的设计
• 6.4 试验系统和测试系统
• 6.5 试验环境和测试工况
• 6.6 动力性及经济性分析
• 6.6.1 怠速稳定性分析
• 6.6.2 负荷特性分析
• 6.7 转速稳定性分析
• 6.8 排放性分析
• 6.8.1 HC排放性分析
• 6.8.2 NO排放性分析
• 6.8.3 CO排放性分析
• 6.8.4 碳烟排放性分析
• 6.9 怠速排放分析
• 6.10 发动机100小时连续性试验
• 6.11 影响生物质气发动机性能的几个主要因素
• 6.12 本章小结
• 第七章 全文总结及展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表或已被录用的学术论文
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表