微型自由活塞动力装置HCCI催化燃烧特性的研究

作     者：张迪 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王谦

授予年度：2017年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：微型动力装置 HCCI燃烧 自由活塞 催化作用 

摘      要：以碳氢燃料为动力源的微型动力系统体积较小、能量密度高等优点,具有重要的发展前景。自由活塞式发动机能量转换效率高、结构简单适合微型化,将HCCI(Homogeneous charge compression ignition)燃烧应用于微型自由活塞发动机中,不仅可以解决由于燃烧室面容比大而导致的火焰淬熄问题,还可以解决HCCI着火难控制的问题。在催化作用下能够有效降低燃烧反应所需的活化能,拓宽着火界限,因此开展对微型自由活塞动力装置在催化条件下燃烧过程的研究具有重要的意义。本文对催化燃烧条件下的微型自由活塞动力装置采用可视化实验和数值模拟两种手段进行了理论和实验研究。对具有催化作用的微型自由活塞动力实验装置各部分,包括可视化燃烧室、预混燃气系统、气动动力装置、数据采集系统进行了设计,采用较低自燃温度的二甲醚作为实验燃料,在此基础上开展了微型动力装置燃烧过程的可视化实验,获得了三种典型的着火形式,并对在微型燃烧室底部添加了Pt/C催化剂的燃烧过程开展了可视化实验研究。实验表明催化可以使着火过程提前,压缩比减小,使微型动力装置燃烧过程更加稳定和可靠的运行。根据微型动力装置的动力学特性建立了燃烧过程的数学模型,选取了合适的湍流模型,本文选取Pt/C作为催化剂,分析表面燃烧反应的直接氧化机理,同时,在模拟计算中对网格无关性进行了分析,对模拟建立的模型进行了验证。利用所建立的模型对具有催化作用的微型动力装置的燃烧过程进行了数值模拟研究。针对储量丰富,热值高,但着火点较高的甲烷采用催化燃烧的方式开展模拟研究。通过改变不同初始变量:变压缩比、变初始温度、变初始压力、变当量比等情况下,分析了催化条件下微型装置中压燃过程中燃烧特性和自由活塞运动特性的变化规律和影响因素;其次本文考虑微型燃烧室的泄漏因素对催化燃烧过程的影响,建立泄漏子模型对催化条件下的燃烧过程进行模拟,结果表明泄漏会降低峰值压力与峰值温度,降低了微型动力装置的做功能力。