天然气/柴油反应活性控制压燃反应机理仿真研究

【摘要】：理想均质压燃(HCCI:Homogeneous Charge Compression Ignition)是发动机高效、低污染燃烧的最佳技术方案,然而其燃烧始点和燃烧速率不可控的固有缺点严重制约了HCCI优势的发挥,反应控制压燃(RCCI:Reactivity Controlled Compression Ignition)具有解决这一问题的巨大潜力,在利用柴油和天然气RCCI燃烧模式实现HCCI的发动机全工况范围拓展过程中,急需掌握天然气/柴油反应活性控制压燃(RCCI)的工作机理,获取相关影响因素的变化规律,为实现RCCI的稳定控制奠定坚实的理论基础。针对上述问题,本文采用三维模拟手段研究RCCI工作机理。首先,建立天然气/柴油RCCI的零维简化机理,以满足在普通计算机上使用的要求。然后,耦合天然气/柴油RCCI的三维流动、传热、传质工作过程,分析不同曲轴转角下,天然气/柴油RCCI机理中燃料分子、中间基团和NOx浓度的空间分布及变化,分析RCCI的工作机理。本文第一部分是天然气/柴油反应机理的建立。利用零维CHEMKIN软件,分别对LLNL正庚烷的详细化学动力学机理和GRI3.0甲烷详细机理进行简化,然后将简化好的机理进行合并。结论如下,(一)结合多种自动简化方法,经过13步的简化,最终正庚烷的简化机理包含114种物质,455步反应。与LLNL详细机理相比,物质种类减少了82.6%,反应步数减少了83.9%;滞燃期,CO和C2H2等的计算结果都在误差范围内。说明简化好的正庚烷机理可以用于下一步机理的合并,并且实现了机理尺寸的减少,计算效率的提高。(二)结合多种自动简化方法,经过4步的简化,最终甲烷的简化机理包含20种物质,70步反应。与GRI3.0详细机理相比,物质种类减少了62.2%,反应步数减少了78.4%。滞燃期,CO和NO等的计算结果都在误差范围内。说明简化好的甲烷机理可以用于下一步机理的合并,并且实现了机理尺寸的减少,计算效率的提高。(三)合并正庚烷和甲烷的简化机理,最终建立的天然气/柴油RCCI的简化机理包含118种物质,479步反应,通过了三维试验的验证,说明合成的RCCI简化机理可以满足指导天然气/柴油RCCI试验研究的需求,同时机理尺寸小,对计算机配置要求低,计算效率高。该机理可以做为分析研究天然气/柴油RCCI氧化过程的一个基础工具。该机理简化过程也为其他不同反应活性燃料的RCCI机理简化提供了参考。本文第二部分,将合成的天然气/柴油RCCI的简化机理,与三维AVL FIRE软件进行耦合,天然气燃料通过进气道引入,柴油通过缸内直喷引入,在转速1460r/min,指示平均有效压力为13.5bar条件下(中高负荷)进行实验验证,并对该RCCI的燃烧过程、NOx排放过程和化学动力学机理物质浓度进行分析。结论如下,(一)该天然气/柴油RCCI模拟工况的CA10是在8°ATDC出现,CA50在13.9°ATDC出现,CA90在26°ATDC出现,对应的燃烧持续期有18°CA,说明了RCCI利用不同反应活性燃料可以控制燃烧放热率。最高压力升高率不超过4bar/deg,低于10bar/deg的压力升高率的限制,说明RCCI发动机可以有降低工作噪音的潜力。并且气缸内最高平均温度为1639K,说明RCCI属于低温燃烧,可以有效降低NOx的排放量。(二)该天然气/柴油RCCI模拟工况,正庚烷先于甲烷消耗。正庚烷在-12°ATDC时开始有微微的下降。在上止点之后3°CA时,正庚烷消耗速度明显加快。而甲烷在-3°ATDC时有一个微降,在8°ATDC时,甲烷有明显的快速消耗。模拟结果表明RCCI高活性的燃料氧化温度低,先消耗,氧化放热量增加使温度达到低反应活性燃料的氧化温度时,低反应活性的燃料再开始氧化,说明如果两种燃料的反应活性梯度更大,RCCI的效果可能更加理想。(三)该天然气/柴油RCCI模拟工况,甲烷开始消耗时刻-3°ATDC与正庚烷开始消耗的时刻-12°ATDC之间有9°CA的延迟;甲烷开始快速消耗时刻8°ATDC与正庚烷开始快速消耗时刻3°ATDC之间有5°CA的延迟;说明RCCI的燃烧首先开始于高反应活性燃料的氧化消耗,然后低反应活性的燃料再氧化消耗,说明RCCI具有“顺序自燃”的特点,从而控制了燃烧(始点)相位和放热率。(四)天然气进气道引入,柴油缸内提前喷射,在燃烧室中形成了正庚烷混合比区域浓度差别,氧化反应开始于正庚烷高混合比区域,并向正庚烷低混合比区域传播。说明RCCI中混合比分层是实现“顺序自燃”的关键。同时,在正庚烷高混合比区域,正庚烷氧化反应分解产生的热量累积到甲烷开始氧化的温度时,甲烷开始发生氧化反应,说明在RCCI混合比分层区域,燃料反应活性差异可以有效控制燃烧相位和放热率。为高效清洁燃烧负荷范围的拓展提供了理论的方向。 【关键词】：天然气 柴油 反应活性控制 反应机理 仿真研究
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK401
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-24
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 天然气/柴油RCCI国内外研究现状13-15
• 1.2.1 RCCI概念的提出13-14
• 1.2.2 天然气/柴油RCCI研究现状14-15
• 1.3 天然气/柴油RCCI机理研究的现状15-23
• 1.3.1 天然气氧化机理的研究现状16-18
• 1.3.2 柴油氧化机理的研究现状18-21
• 1.3.3 天然气/柴油RCCI机理的研究现状21-23
• 1.4 本文研究的主要内容23-24
• 第2章 天然气/柴油RCCI简化机理建立24-78
• 2.1 基础化学动力学模型24-27
• 2.1.1 化学反应的反应速率24-26
• 2.1.2 热力学模型26-27
• 2.2 机理简化的方法27-32
• 2.2.1 直接关系图（DRG）法28-29
• 2.2.2 考虑误差传递的直接关系图（DRGEP）法29-30
• 2.2.3 DRG/DRGEP中的敏感性分析方法30-31
• 2.2.4 全物质敏感性分析（FSSA）31-32
• 2.3 柴油的简化机理建立32-59
• 2.3.1 正庚烷详细反应模型32-34
• 2.3.2 正庚烷详细机理的简化34-59
• 2.4 天然气氧化机理模型59-74
• 2.4.1 甲烷氧化机理的核心反应59-60
• 2.4.2 甲烷简化机理建立60-74
• 2.5 天然气/柴油RCCI简化机理建立74-75
• 2.6 本章小结75-78
• 第3章 天然气/柴油RCCI模型建立与验证78-92
• 3.1 基础三维数学模型78-84
• 3.1.1 质量守恒方程78
• 3.1.2 常规物质输运方程78-79
• 3.1.3 能量守恒方程79
• 3.1.4 动量守恒方程79-80
• 3.1.5 燃油喷射模型80-83
• 3.1.6 湍流模型83-84
• 3.1.7 燃烧模型84
• 3.2 天然气/柴油RCCI模型建立84-88
• 3.2.1 发动机的基本参数84-85
• 3.2.2 三维网格模型的建立85-86
• 3.2.3 三维模型验证86-88
• 3.3 天然气/柴油RCCI机理模型验证88-90
• 3.3.1 天然气/柴油RCCI工况的初始条件88-89
• 3.3.2 合成机理与FIRE软件耦合步骤89-90
• 3.3.3 天然气/柴油RCCI机理模型验证90
• 3.4 本章小结90-92
• 第4章 天然气/柴油RCCI机理研究92-108
• 4.1 天然气/柴油RCCI工况的二维结果分析92-96
• 4.2 天然气/柴油RCCI三维结果分析96-103
• 4.2.1 正庚烷的质量分数随曲轴转角的空间分布96-97
• 4.2.2 甲烷的质量分数随曲轴转角的空间变化97-99
• 4.2.3 温度随曲轴转角的空间变化99-100
• 4.2.4 CH_2O质量分数随曲轴转角的空间变化100-101
• 4.2.5 CO质量分数随曲轴转角的空间变化101-102
• 4.2.6 OH质量分数随曲轴转角的空间变化102
• 4.2.7 NO质量分数随曲轴转角的空间变化102-103
• 4.3 正庚烷氧化分解过程分析103-105
• 4.4 本章小结105-108
• 第5章 全文总结及工作展望108-114
• 5.1 全文总结108-112
• 5.2 工作展望112-114
• 参考文献114-120
• 附录120-140
• 作者简介140-142
• 致谢142

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