基于化学反应动力学的天然气掺氢发动机均质压燃数值模拟

摘要

天然气作为发动机的一种气体代用燃料已基本普及，但其在着火、燃烧速率和污染物排放方面的相关研究仍显不足。为此，本文以天然气掺氢发动机为对象，开展基于化学反应动力学的天然气掺氢发动机均质压燃数值模拟研究。
　　基于CHEMKIN软件通过对天然气燃烧详细化学反应机理进行温度和组分敏感性分析及其简化，最后得出包含29种组分、60个基元反应的天然气简化机理并对其进行对比验证。用此简化机理建立了天然气掺氢的燃烧机理，将模拟结果与定容燃烧弹模型中试验结果进行对比。
　　基于化学动力学建立了天然气掺氢的均质压燃(HCCI)燃烧单区模型，分析了不同掺氢量对发动机燃烧和排放的影响，研究了当量比、进气温度、压缩比和转速等参数对发动机性能的影响，探讨了不同废气再循环(EGR)率和循环废气组分对发动机性能的影响。结果表明：随着掺氢比的增加，着火提前，NO排放由于燃烧速度和燃烧等容度的变化影响有先增加后减少的趋势，掺氢会拓展发动机的失火界限。通过详细机理对着火提前角分析发现：氢气的加入主要通过支链反应大量生成H基，从而对其他自由基浓度产生有利影响，造成着火提前。进气温度和压缩比的提高都能使着火提前，转速升高则着火推迟，高进气温度和转速使燃烧持续期缩短，缸内温度和压力峰值随着当量比的增加而呈阶梯式的增加趋势，压缩比、进气温度和当量比都对NO排放有促进影响。天然气掺氢发动机较高的EGR率能降低缸内燃烧温度和压力，减少NO排放。建立混合燃料发动机的HCCI燃烧运行区域，构造了天然气-氢气发动机关于NO排放的Φ-T图，为发动机的低排放燃烧路径控制提供理论依据。

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1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2天然气与氢气燃料特性

1.3 HCCI燃烧方式研究进展

1.4机理简化研究进展

1.5天然气掺氢研究现状

1.6本文研究内容

2 HCCI发动机相关理论

2.1 HCCI燃烧特点

2.2 CHEMKIN简介

2.3 HCCI发动机控制方程

2.4本章小结

3 天然气-氢气反应机理构建分析与验证

3.1天然气燃烧机理验证

3.2敏感性分析

3.3简化机理及其计算结果验证

3.4天然气-氢气燃烧机理验证

3.5本章小结

4 天然气-氢气发动机HCCI燃烧模拟结果

4.1掺氢比对发动机HCCI燃烧特性的影响

4.2掺氢对天然气燃烧机理的影响研究

4.3边界条件对掺氢发动机HCCI燃烧的影响

4.4本章小结

5 天然气-氢气发动机EGR燃烧分析

5.1发动机EGR模拟分析

5.2发动机在纯天然气与天然气掺氢下的失火界限对比

5.3发动机运行区域模拟计算

5.4 NOx的Φ-T图

5.5本章小结

6 总结与展望

6.1全文总结

6.2展望

致谢

参考文献

附录 1 攻读硕士学位期间发表的论文目录