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进排气全封闭内燃机液氧固碳系统的仿真与试验

进排气全封闭内燃机液氧固碳系统的仿真与试验

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作者：贾晓社北京建筑大学

学位级别：硕士

对于如何捕集并封存燃料燃烧所排放的CO2,国内外专家在该领域进行了大量的研究,其中富氧燃烧技术(也被称作O2/CO2燃烧技术)被公认为是捕集CO2最有效的方法,该方法已在发电领域取得了成功应用。然而对于如何解决车用发动机尾气所排放CO2... 详细信息

对于如何捕集并封存燃料燃烧所排放的CO2,国内外专家在该领域进行了大量的研究,其中富氧燃烧技术(也被称作O2/CO2燃烧技术)被公认为是捕集CO2最有效的方法,该方法已在发电领域取得了成功应用。然而对于如何解决车用发动机尾气所排放CO2的研究却少之又少,因此本文通过仿真与试验相结合的方法在一台四缸四冲程汽油机上进行了“进排气全封闭的液氧固碳试验”以此来研究如何有效地捕集车用发动机尾气中的CO2。首先应用KIVA-3V软件仿真了汽油机在O2/CO2环境下的燃烧特性,分析了不同O2/CO2浓度比对缸内燃烧温度、压力、瞬时放热率及缸内CO2浓度分布的影响,并得出了AJR汽油机最佳的O2/CO2进气浓度比值。其次将借助欧洲稳态测试循环基于不同的转速和负荷将汽油机的工况分为13种,以此来研究不同工况对液氧固碳试验的影响,其中不同转速和负荷对汽油机缸内燃烧特性的影响由KIVA-3V来仿真分析,总结了缸内燃烧温度、压力、瞬时放热率及缸内CO2浓度随转速和负荷的变化规律。理论计算了在13工况下,尾气中CO2的生成量及所消耗的液氧量,并在该13工况下进行了液氧固碳试验,对比分析了试验时所捕集到的CO2量及消耗的液氧量理论计算值的差异,观察总结了不同工况对箱内CO2冷凝过程的影响。仿真结果表明:适当的CO2浓度有助于内燃机在富氧状况下恢复为标准燃烧工况,当O2/CO2进气浓度比为42%时为最优,此时缸内的温度较为适中,压力升高率较为平缓,内燃机的动力性较好,从而在理论上证明了汽油机在进排气全封闭的情况下采用O2/CO2进气是可行的。随着内燃机转速的增加缸内气体涡流便强,混合气质量较好,缩短了内燃机的滞燃期,缸内的温度和压力的升高较为平缓,有助于AJR汽油机的稳定工作;随着内燃机负荷的增加,缸内混合气的质量增大,缸内燃烧温度和压力较高,提高了内燃机的动力性,但是太大的负荷会使得内燃机的工况变得不稳定,易产生爆震。试验结果表明:由于捕集装置及尾气装置存在一定量的泄露,试验时所捕集到的CO2量低于理论计算值;当开启液氧阀向装置喷入液氧时低温高压液氧高温与尾气接触后瞬间发生沸腾蒸发,变成捕集箱内部压力的氧气,出现“闪蒸”现象,故试验所用的液氧量要多于计算值。随着内燃机转速和负荷的增加,尾气中所生成的CO2量增加,试验时所消耗的液氧量也随之增加,箱内捕集到的CO2絮状漂浮物也随着转速和负荷的增加而明显增多,从而验证内燃机液氧固碳试验是可行的。

关键词：内燃机 O2/CO2燃烧 KIVA-3V 仿真分析液氧固碳 13工况试验

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