柴油/乙醇双燃料RCCI发动机燃烧和排放的数值模拟

摘要

为解决预混压燃(PCCI)发动机存在的混合气制备、燃烧相位难以控制等问题,人们提出了反应活性分层压燃(RCCI,ReactivityControlledCompressionIgnition)技术,这是一种分别在缸内和进气道喷射柴油和高辛烷值低沸点燃料,通过柴油压燃来引燃进入气缸内的均质混合气,以实现缸内燃料分层和分层燃烧的新型燃烧策略。
　　为研究柴油/乙醇双燃料RCCI发动机的燃烧和排放,将乙醇氧化反应详细化学动力学机理与正庚烷简化机理进行对接,并在此基础上添加了氮氧化物(NOX)的生成机理、碳烟及其前体物的热力学数据,构筑了柴油/乙醇双燃料的化学反应机理。
　　本论文将美国LosAlamos国家实验室主持开发的多维燃烧模拟程序KIVA-3V程序与化学反应动力学程序CHEMKIN结合,实现了流动和化学反应的耦合。建立多维数值模型,并通过柴油PCCI和乙醇均质压燃(HCCI)燃烧数值模拟结果与实验结果的对比验证了模型的准确性。
　　采用多维数值模拟的方法研究了缸内柴油喷油提前角、乙醇质量比、初始温度、初始压力、发动机转速和混合气浓度对柴油/乙醇双燃料RCCI发动机燃烧和排放的影响。模拟结果表明,柴油喷油提前角和乙醇质量比对燃烧过程和排放都有显著影响,初始温度对燃烧和排放的影响没有喷油提前角和乙醇质量比对燃烧和排放的影响大。增加乙醇质量比使得缸内最高爆发压力下降,着火时刻推迟,NOX、碳烟、CO和HC这4种主要排放物均成下降趋势;随柴油喷油时刻的提前,缸内最高爆发压力升高,着火时刻提前,但当喷油提前角增加到一定值时(超过25°CA),着火时刻反而随喷油提前而推迟。喷油提前能减少碳烟和HC排放,但NOX和CO排放随喷油提前呈上升趋势。柴油喷油时刻的提前和乙醇质量比的增加有利于提高燃油经济性并避免敲缸现象的发生。采用进气增压使缸内压力峰值和温度峰值增大,着火时刻提前,碳烟、CO和HC排放下降,而NOX排放增加。发动机转速对燃烧过程影响较小,NOX、碳烟和HC排放基本上随发动机转速的升高呈下降趋势,CO呈上升趋势。缸内混合气浓度增大时,缸内燃烧压力和缸内燃烧温度峰值均呈先升高后下降的趋势,着火时刻延迟。

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第一章 绪论

1. 1 引言

1.2 PCCI和HCCI研究中存在的难题

1.3反应活性分层压燃（RCCI）的概念及特点

1. 4柴油和醇类发动机的国内外发展现状

1. 5燃烧数值模拟简介

1. 6本论文研究的主要内容和进行的工作

第二章 KIVA程序基本理论

2. 1 控制方程和数学模型

2. 2 边界条件

2. 3 数值方法

2.4 KIVA程序发展和结构

2. 5 本章小结

第三章 化学反应动力学模型

3. 1 乙醇化学反应动力学模型

3. 2双燃料化学反应动力学机理的构建

3.3 CHEMKIN程序包简介

3. 4 本章小结

第四章 柴油/乙醇双燃料RCCI发动机的燃烧数值模拟

4. 1 发动机结构参数和计算网格

4. 2 模型验证

4.3 柴油/乙醇双燃料RCCI发动机的燃烧过程数值模拟

4. 4 本章小结

第五章 全文总结与展望

5. 1全文总结

5. 2展望

参考文献

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