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生物制气—柴油双燃料发动机的燃烧噪声及燃烧模拟

汤东  
【摘要】: 近年来发动机燃用气体燃料已成为改善内燃机经济性及降低排放的重要研究方向之一,柴油引燃的双燃料发动机由柴油机改装而来,具有高效率、低排放的优势,应用越来越广泛。由气化炉热解气化各种农林废弃物产生的生物制气是一种优良的发动机替代燃料,对缓解能源紧张状况、减少焚烧生物质产生的二次污染等方面具有较好的综合效益和广阔的应用前景。简述了双燃料发动机的开发现状和技术对策;综述了生物质能源的发展和研究现状以及压燃式双燃料发动机燃烧模型的进展。在前人研究的基础上从理论和实验研究两方面对生物制气-柴油双燃料发动机进行了较为深入的探讨,为生物质能源在双燃料发动机上的应用及发展提供了科学的依据。 将一台单缸直喷柴油机改装为柴油引燃的生物制气-柴油双燃料发动机,既可纯柴油模式运行,也可以双燃料模式运行。对比分析了发动机运行于两种模式下的万有特性、燃烧特性和比排放性能。分析了负荷、转速、供油提前角等参数对柴油机及双燃料发动机燃烧过程的影响。结果表明:双燃料发动机的燃烧始点落后于柴油机;除低速大负荷外,最高燃烧压力、最大燃烧压力升高率均低于柴油机,最高燃烧压力与最大燃烧压力升高率对应相位均滞后于柴油机;双燃料发动机的后燃较为严重,排气温度较高,烟度稍大。双燃料发动机的NO_x排放量较柴油机显著降低,但CO和HC的排放量明显增加。 从时域和频域两个方面对生物制气—柴油双燃料发动机的燃烧噪声进行综合评价,并计算出燃烧总声压级。与柴油发动机进行对比分析,研究了不同的供油提前角、负荷和转速对燃烧噪声的影响。结果表明,在相同转速下燃烧噪声随负荷变大而变大;在相同负荷下供油提前角变大其燃烧噪声变大,燃用纯柴油比燃用生物制气混合气的燃烧噪声大。 根据双燃料发动机燃烧的特点,建立了由实测示功图计算双燃料发动机燃烧放热规律的多区计算模型,并将其和传统柴油机模型进行了计算结果对比。计算分析表明,生物制气-柴油双燃料发动机的最大放热率高于柴油机,燃烧延迟,后燃较严重。与传统模型相比,新模型与双燃料发动机实际燃烧过程更为吻合,可以更好地对双燃料发动机的燃烧过程进行诊断分析。 通过对双燃料发动机燃烧过程的深入分析,建立了基于湍流火焰面分形理论的双燃料发动机现象学准维燃烧模型,包括滞燃期子模型,喷雾卷吸子模型,燃烧和火焰传播子模型,燃烧化学反应子模型,传热及NO_x排放形成子模型等,并运用该模型对生物制气-柴油双燃料发动机进行了燃烧过程的模拟,预测双燃料发动机的气缸压力及NO_x排放等参数,计算结果与实验结果有良好的一致性。


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