丁醇—柴油混合燃料发动机着火燃烧的三维数值研究

摘要

随着能源危机和环境问题的日益突出，发展内燃机清洁代用燃料以及开发高效低排放发动机已成为内燃机研究的热点之一。国内外对发动机中掺烧丁醇的大量试验研究表明，丁醇在发动机上有较大的应用潜力。相对于试验研究，缸内燃烧过程数值模拟具有成本低、高效灵活、信息量大以及便于多方案比较等优点。本文基于缸内燃烧过程三维模拟的KIVA程序建立了丁醇-柴油缸内着火燃烧的三维数值模型，以实现应用数值模拟的方法研究丁醇-柴油发动机缸内燃烧过程。
　　本文首先应用KIVA-Ⅱ程序建立了柴油机数值模型，采用Shell自燃着火模型以及特征时间燃烧(CTC)模型计算缸内柴油燃料的着火燃烧，通过计算的缸压与试验值对比验证了该模型的正确性。在此基础上，把丁醇-柴油燃料假定为折合的单一分子燃料，采用物性混合法则计算丁醇-柴油燃料的物性数据。基于这一假定，研究了Shell/CTC模型对缸内丁醇-柴油着火燃烧的预测能力。模拟结果表明：在不改变Shell/CTC模型中反应速率动力学参数的情况下，难以实现对缸内丁醇-柴油着火燃烧的准确预测。
　　为实现缸内丁醇-柴油着火燃烧的准确模拟，采用KIVA程序耦合化学动力学的方法求解缸内混合燃料的着火燃烧。柴油燃烧反应采用了正庚烷氧化简化机理替代。对于两种燃料蒸发过程的计算，则采用离散多组分(DMC)蒸发模型，因此，可以实现丁醇、柴油燃料独立蒸发、燃烧反应的模拟。为了减少计算时间，基于正丁醇氧化详细机理，利用Chemkin中的Senkin应用程序分析了正丁醇在零维定容绝热闭口系统中氧化的主要反应路径，在此基础上建立了一个包含94种组分，214个基元反应的正丁醇氧化简化机理。利用建立的正丁醇简化机理计算重要组分浓度变化历程，以及初始压力为70bar，初始温度为750-1300K，当量比为0.5.3.0范围内的着火延迟时间。结果表明，所建立的正丁醇简化机理与详细机理的计算结果相当一致，具备较好的预测能力，同时大幅度降低计算时间，具有工程计算的可行性。
　　最后，建立了正丁醇与正庚烷的简化反应机理，并应用到KIVA程序中模拟缸内丁醇-柴油的着火燃烧。结果表明，简化反应机理预测的丁醇-柴油着火滞燃期与试验值吻合较好，说明所建模型能够较准确地模拟缸内丁醇-柴油的着火燃烧，可以进一步应用于丁醇-柴油发动机燃烧过程的数值研究。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 内燃机缸内过程数值模拟的发展

1.2.1 零维模型

1.2.2 准维模型

1.2.3 多维模型

1.3 国内外对发动机掺烧丁醇的研究

1.4 丁醇燃烧反应机理研究的进展

1.5 课题研究的意义和主要内容

第2章 柴油机缸内过程三维数值模型及验证

2.1 缸内多维数值模拟程序KIVA介绍

2.1.1 KIVA-Ⅱ程序基本结构

2.1.2 KIVA程序求解基本控制方程

2.2 柴油机缸内过程数值建模

2.2.1 发动机主要参数及网格生成

2.2.2 缸内多维计算的数学模型

2.3 柴油机缸内过程模拟计算及验证

2.4 柴油机变参数对排放性能的影响

2.5 本章小结

第3章 基于特征时间的丁醇-柴油着火燃烧模型的研究

3.1 数值模型的建立

3.1.1 丁醇物性数据的估算

3.1.2 丁醇物性数据的添加

3.1.3 燃料物性混合法则

3.1.4 着火燃烧模型的建立

3.2 数值模型的验证

3.2.1 柴油燃烧过程计算

3.2.2 柴油掺烧丁醇的滞燃期变化趋势

3.3 缸内多维CFD耦合化学动力学模型

3.4 本章小结

第4章 基于化学动力学的丁醇-柴油着火燃烧模型的研究

4.1 耦合化学动力学的缸内多维数值模型

4.1.1 数值模型介绍及网格生成

4.1.2 柴油机缸内过程模拟计算及验证

4.2 双组分燃油蒸发

4.2.1 离散多组分蒸发模型

4.2.2 丁醇柴油双组分蒸发计算

4.3 丁醇氧化反应机理的研究

4.3.1 计算模型及计算软件

4.3.2 丁醇氧化主要反应路径分析

4.3.3 正丁醇简化机理的构建

4.4 正丁醇简化机理的验证

4.4.1 重要组分变化历程

4.4.2 不同边界条件的有效性分析

4.5 丁醇-柴油混合燃料着火燃烧多维模型的验证

4.6 本章小结

结论及展望

参考文献

附录A攻读硕士学位期间参与的项目

附录B正丁醇氧化简化机理

致 谢