发动机低温燃烧过程简化动力学机理构建及可用能分析

摘要

低温燃烧是发动机实现高效、清洁燃烧的新型燃烧方式，其过程主要受燃料燃烧化学反应动力学控制。本文主要从动力学和可用能分析的角度，构建了适用于低温燃烧发动机的基础参比燃料（PRF）和甲苯参比燃料（TRF）简化燃烧动力学模型，分析了低温燃烧过程中的可用能变化规律，讨论了 EGR 等燃烧边界条件对可用能分配比例的影响。 分析了现有基础参比燃料动力学机理研究现状，在典型机理的基础上，通过多个目标工况下的滞燃期敏感分析进行反应系数优化，构建了一个包含68个基元反应的PRF简化动力学模型。通过与激波管滞燃期数据和射流搅拌反应器组分演变过程的对比，表明该简化模型在一定工况下是可用的。 通过基于误差传递的直接关系图法（DRGEP）、温度敏感分析、反应速率及反应路径分析等简化方法将 Metcalfe 详细甲苯反应模型进行简化，与已构建的PRF 子机理组合，形成了由220个反应组成的甲苯参比燃料简化动力学模型。将预测结果与激波管实验和均质压燃发动机实验数据进行了对比，并且将简化模型与普适的Mehl详细模型预测结果进行比较，结果表明该简化模型拥有良好的预测能力。 建立了发动机低温燃烧过程可用能分析模型，结合构建的TRF简化模型及Chemkin Pro软件得出燃烧过程压力、温度、组分浓度变化，并进一步计算了热机械可用能、化学可用能、做功可用能及可用能损失的变化规律。通过研究 EGR 及重要组分对燃烧过程的影响，发现随着 EGR 率的增加，做功可用能所占比例也增大，EGR 气体中的N2对各项可用能分配比例有较大的影响。同时，研究了进气温度、进气压力、当量比、过量空气系数、压缩比和转速等燃烧边界条件对可用能分配比例的影响规律。

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