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生物质气发动机工作过程的数值模拟及试验研究

张强  
【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。


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