乙醇均质压燃及燃料改质的模拟研究

摘要

均质充量压缩着火( Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI)燃烧方式，是在进气过程形成均质混和气，混和气因受到压缩达到自燃温度而发火燃烧。这种燃烧方式既不同于汽油机的预混气体火焰传播燃烧，也不同于柴油机的压缩着火扩散燃烧，是一种新的燃烧方式。HCCI具有高效率、低NOx排放和无颗粒(PM)排放的潜力，应用于汽车动力能够满足日益严格的燃油经济性要求和未来排放法规要求，因此已成为近年来动力机械领域内的前沿课题。 本文应用CHEMKIN软件对乙醇氧化燃烧的化学动力学过程进行了理论研究，模拟了乙醇燃料HCCI发动机的燃烧过程，并创新性的提出了在线燃料改质的概念，并成功实现与HCCI燃烧模型的耦合。研究中使用的乙醇氧化化学动力学机理是在美国Lawrence Livermore国家实验室公布的数据基础上改进而得到的。修改后的乙醇氧化化学动力学机理添加了扩充的Zeldovich机理用于NOx排放的预测，并融合了氢气、甲烷氧化反应的简化机理使得模拟条件贴近实际情况。 研究表明，乙醇氧化着火燃烧划分为三个阶段：反应链引发阶段、活性基积累阶段以及着火燃烧阶段；进气温度对HCCI燃烧的影响尤为显著，随着进气温度的增加，燃烧压力、缸内温度上升，燃烧始点提前，压力升高率增大，CO排放降低，NOx排放增加；过量空气系数增大时，燃烧压力和缸内温度下降，压力升高率降低，CO和NOx排放皆呈下降趋势；EGR率增大时，燃烧压力和缸内温度下降，压力升高率降低，NOx排放下降，CO排放降低缓慢上升；发动机转速增大时，燃烧压力降低，缸内温度变化不大，但峰值对应的曲轴转角相应推后，CO排放明显增加，而NOx排放基本保持不变。 通过参数化模拟研究得到了以发动机转速和过量空气系数表示的乙醇HCCI工作区域，该区域由爆震界限、失火界限和部分燃烧界限围成。过量空气系数的最大工作范围为1～9，发动机转速的最大工作范围为600～2200 r/min。 改质模型中改质气的生成主要受改质燃料浓度和改质室截留相位的影响，经计算优化后选定上止点后30℃A作为最优改质室截留排气相位，最优改质燃料浓度为0.16。经耦合后的改质模型能够明显改善乙醇HCCI燃烧，使得HCCI燃烧提前，燃烧速度加快。随着改质气比例和改质气进入气缸相位的不同，改质气对原HCCI燃烧的影响也不同。改质气比例增加，燃烧始点逐渐提前，最高压力增加，而最高压力对应的曲轴转角也逐渐向上止点靠近，指示热效率也随之上升；随着进气相位逐渐接近上止点，HCCI燃烧逐渐推后，指示热效率上升。改质气在上止点前14℃A进入燃烧室时最先开始燃烧，而改质气在上止点前120CA进入气缸时最高压力最大。改质气的加入使得乙醇HCCI发动机失火极限转速平均提高了41％，显著的拓展了HCCI发动机的燃烧。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2 HCCI燃烧的概念及特点

1.3HCCI发动机研究发展难题

1.4 HCCI燃烧的研究进展

1.4.1 HCCI燃烧试验研究现状

1.4.2 HCCI燃烧模拟研究现状

1.4.3燃料改质在HCCI发动机中的应用研究现状

1.5本文主要研究内容

第二章计算软件及计算模型

2.1计算软件

2.2计算模型

2.2.1基本控制方程

2.2.2发动机模型

2.2.3发动机传热模型

2.2.4热力学基础模型

2.3化学动力学反应机理

2.3.1 乙醇HCCI化学动力学反应机理

2.3.2扩充的Zeldovich原理

2.3.3机理修改

2.4计算模型验证

2.4.1发动机参数

2.4.2模型验证

2.5本章小结

第三章 乙醇HCCI发动机模拟研究

3.1 乙醇HCCI燃烧变参数研究

3.1.1进气温度的影响

3.1.2混合气浓度的影响

3.1.3 EGR的影响

3.1.4发动机转速的影响

3.2 醇HCCI运行范围的模拟研究

3.2.1 模拟工况

3.2.2运行范围的边界定义

3.2.3 以发动机转速和过量空气系数表示的HCCI运行范围研究

3.3本章小结

第四章乙醇HCCI在线燃料改质模拟研究

4.1 乙醇HCCI发动机在线燃料改质系统模型

4.2改质气的组分计算

4.2.1 改质室截留气缸排气相位对改质气组分及浓度的影响

4.2.2截留相位的选取

4.2.3 λ'对改质气各主要产物浓度的影响

4.3 改质气对乙醇HCCI燃烧的影响

4.3.1改质气比例对HCCI燃烧的影响

4.3.2改质气进入气缸相位对HCCI燃烧的影响

4.4运行范围拓展研究

4.4.1最高转速失火界限的拓展

4.5本章小结

第五章全文总结与展望

5.1全文总结

5.2工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

参与的科研项目

发表论文

致谢