二甲醚发动机燃烧过程数值模拟研究

摘要

能源关系着一个国家的经济命脉。由于石油、天然气等化石燃料属不可再生资源，而且随着汽车保有量的不断增加，其排放的废气也己成为城市大气的主要污染物之一，因此世界各国都在积极研究开发清洁高效的汽车替代燃料。二甲醚（Dimethyl Ether, DME）分子式为CH3OCH3，分子结构中无C-C键，有利于减少燃烧生成的炭烟，同时沸点较低，有利于气缸内混合气的形成，而且十六烷值比柴油高，发火性好。HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition，均质充量压缩燃烧)是先向气缸里注入非常均匀的空气和燃料形成的混合气，再通过活塞压缩混合气使之温度升高到着火点时自行燃烧，因此可采用较大的压缩比，有较高的热效率。因此有必要对二甲醚HCCI发动机的工作过程作深入的研究。
　　 本文以ZS1100柴油机为原型，通过适当改动，用CAD建立了三维发动机几何模型，并在Gambit里进行网格划分，之后在FLUENT里与用CHEMKIN建立的二甲醚简化机理相耦合，构建了二甲醚HCCI发动机的三维计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics． CFD)模型，并进行迭代求解来仿真计算，研究了二甲醚HCCI燃烧过程及不同运行参数对其燃烧特性的影响，研究内容及结论如下：
　　 1分析了该燃烧过程各个阶段气缸内温度、压力、组分分数的情况。研究表明：二甲醚HCCI分为三个阶段，即(1)低温燃烧阶段，主要是二甲醚脱H生成CH3OCH2,然后两次加氧生成O2CH2OCH2O2H。(2)负温度系数阶段，主要是CH2OCH2O2进行β裂解生成2分子HCHO和一分子OH。(3)高温燃烧阶段，主要反应是HCHO逐步氧化生成CO2，同时生成NO，此时缸内温度及压力均达到最大值。
　　 2分析了不同运行参数对二甲醚HCCI燃烧过程的影响。
　　 (1)进气温度的影响。随着进气温度的升高，最高燃烧温度随之升高，但最大爆发压力却反而下降。而由于燃烧温度的升高，NO生成量也增加。
　　 (2)燃空当量比的影响。燃空当量比增大后，最高燃烧温度和最大爆发压力均显著升高，NO排放量也增加。
　　 (3)压缩比的影响。随着压缩比的增大，最高燃烧温度和最大爆发压力都随之升高，导致NO排放也随之增加。
　　 (4)转速的影响。转速初始增加时，最高燃烧温度和最大爆发压力都明显上升，但之后转速继续增加时，对二者的影响则越来越小。

目录

文摘

英文文摘

引言

1 二甲醚及HCCI(均质充量压缩燃烧)简介

1.1 二甲醚简介

1.1.1 二甲醚的理化特性及生产工艺

1.1.2 二甲醚在内燃机上的应用及国内外研究现状

1.2 HCCI(均质充量压缩燃烧)及其模型简介

1.2.1 HCCI简介

1.2.2 HCCI的燃烧原理

1.2.3 HCCI的特点及其存在的问题

1.2.4 HCCI的数值模拟

1.3 本章小结

2 二甲醚HCCI化学动力学模型及其求解

2.1 二甲醚HCCI化学动力学模型

2.1.1 二甲醚化学动力学模型的发展

2.2.2 二甲醚简化化学动力学模型

2.2 二甲醚HCCI化学动力学模型的求解

2.2.1 化学流体动力学基本控制方程组

2.2.2 计算流体动力学(CFD)简介

2.2.3 CFD商用软件介绍

2.3 本章小结

3 FLUENT软件介绍

3.1 FLUENT简介

3.2 FLUENT求解过程

3.3 本章小结

4 简化机理与CFD模型的耦合计算及分析

4.1 发动机物理模型

4.2 多维模型的建立及计算

4.2.1 基本假设

4.2.2 建立模型及参数设置

4.3 燃烧过程分析

4.3.1 低温燃烧阶段

4.3.2 负温度系数阶段

4.3.3 高温燃烧阶段

4.4 不同运行参数对二甲醚HCCI影响的研究

4.4.1 进气温度的影响

4.4.2 燃空当量比的影响

4.4.3 压缩比的影响

4.4.4 转速的影响

4.5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

致谢