正庚烷均质压燃燃烧反应动力学数值模拟研究

摘要

均质充量压燃(HCCI)燃烧技术是降低传统内燃机排放，提高内燃机热效率的重要技术措施之一，HCCI燃烧技术已经引起了国内外学术界和工业界的高度关注，控制HCCI的着火过程，拓宽HCCI运行工况范围是发动机实现HCCI燃烧模式的重点和难点。 本文以正庚烷为燃料，首先在单缸实验发动机进行了正庚烷HCCI燃烧特性实验研究，结果表明：正庚烷燃烧具有明显的双阶段燃烧特点，随着混合气浓度减小，缸内压力和缸内平均温度都随之降低，第二阶段着火时刻明显后移。 本文利用CHEMKIN软件对正庚烷均质压燃燃烧反应的化学反应动力学过程进行了数值模拟研究，结果表明：正庚烷的燃烧过程由高温反应和低温反应两个阶段组成，高温反应阶段可分为蓝焰反应和热焰反应两个阶段。正庚烷氧化反应首先经过脱氢反应，第一次加氧异构化后的第二次加氧是低温反应的必经途径，其产物的两次分解是低温反应阶段OH自由基的主要来源；蓝焰反应阶段主要是甲醛氧化成CO的过程，H2O2的热分解是控制该阶段反应最重要的基元反应，也是OH自由基的主要来源；热焰反应主要是CO氧化成CO2的过程，CO生成途径是：低温反应生成的甲醛(CH2O)脱氢生成HCO，HCO氧化生成CO，OH是CO氧化为CO2和正庚烷脱氢反应最重要的自由基。初始温度和燃料浓度的改变都可以产生三种不同的燃烧过程，即发生完全燃烧反应、发生低温反应和蓝焰反应和仅发生低温反应。不发生热焰反应的关键是反应8H+O2=O+OH进行程度浅，不能生成足够的OH自由基使CO氧化成CO2；蓝焰反应也不发生而仅发生低温反应的关键是H2O2分解反应的进行程度浅，H2O2只有在缸内温度达到1000K时才能快速分解，这就不能生成足够的OH自由基使甲醛不能转化成CO。 此外，作者在上述研究的基础上，通过对正庚烷均质压燃燃烧反应途径分析和敏感性分析，构建了一个新的内燃机边界条件下包括41个基元反应和35种物质的正庚烷均质压燃简化动力学模型。对简化动力学进行有效性分析，结果表明：本文所提出的简化动力学模型在着火时刻、缸内温度和压力的计算结果与详细动力学模型基本一致，计算的正庚烷HCCI燃烧部分燃烧的边界条件与详细动力学模型计算结果也基本一致。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1前言

1.2化学动力学机理

1.2.1单步机理

1.2.2通用机理

1.2.3详细反应机理

1.2.4简化反应机理

1.3内燃机计算模型简介

1.3.1零维热力学模型

1.3.2准维热力学模型

1.3.3分散多区CFD模型

1.3.4 CFD与化学动力学耦合模型

1.4课题的引出和本课题的主要工作

第二章计算软件及模型

2.1 CHEMKIN简介

2.2 CHEMKIN结构

2.3 Senkin简介

2.4计算假设

2.5控制方程

2.6热力学基础模型

2.7化学反应速率模型

2.8化学反应敏感性系数

2.9发动机几何模型

第三章正庚烷HCCI燃烧化学反应动力学研究

3.1 HCCI燃烧模式下n-heptane燃烧特性的实验研究

3.1.1实验装置与实验方法

3.1.2 n-heptane均质压燃燃烧特性

3.2计算模型

3.3理论计算与实验对比

3.3.1两阶段着火时刻定义

3.3.2示功图对比

3.3.3着火时刻对比

3.4正庚烷均质压燃燃烧过程的分析

3.4.1低温反应阶段

3.4.2负温度系数区

3.4.3高温反应阶段

3.5边界条件对正庚烷均质压燃燃烧过程的影响

3.5.1初始温度的影响

3.5.2燃料浓度的影响

3.6本章小节

第四章正庚烷均质压燃简化动力学模型研究

4.1简化动力学模型的构建

4.1.1低温反应阶段

4.1.2负温度系数区

4.1.3高温反应阶段

4.1.4中间产物向终极产物转化的反应

4.2简化动力学模型的有效性分析

4.2.1摩尔分数图对比

4.2.2不同边界条件的适用性

4.2.3部分燃烧边界条件适用性

4.3本章小结

第五章全文总结

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢