改变燃料化学性质对HCCI发动机燃烧过程控制的数值研究

摘要

均质充量压燃(HCCI)能够实现混合气低温稀薄燃烧，具有热效率高、NOx和微粒物(PM)排放低以及燃料灵活性高等优点。然而，HCCI发动机的着火时刻和燃烧相位是由燃料/空气混合气的化学反应动力学控制，通常很难有效地直接控制其点火和燃烧过程。本文通过改变燃料的化学性质，对二甲醚/乙醇混合气燃烧过程和臭氧辅助天然气燃烧过程进行数值模拟。
　　研究了乙醇对二甲醚HCCI燃烧过程的抑制作用。结果表明，乙醇能够有效降低二甲醚的燃烧速率，推迟二甲醚的燃烧相位。低浓度的乙醇对CO和HC排放量影响不大，但是乙醇含量过高时，会导致CO和HC排放量急剧上升。同时发现，在高当量比下提高乙醇所占比例，可以提高发动机输出功率并有效降低缸内最大压力升高率，拓宽二甲醚HCCI发动机的高负荷运行范围。乙醇主要从两个方面抑制了二甲醚的燃烧:一方面，加入乙醇会降低二甲醚低温氧化时的中间产物CH2OCH2O2H、O2CH2OCH2O2和HO2CH2OCHO分解生成OH自由基的速率;另一方面，由于乙醇的氧化过程发生在二甲醚之后，乙醇开始氧化脱氢时会消耗一部分由二甲醚生成的OH自由基。这两个因素导致二甲醚与OH的脱氢过程受到抑制，从而延缓了二甲醚的整个燃烧过程。
　　研究了不同浓度和进气温度下臭氧对天然气HCCI发动机燃烧过程的影响。结果表明，低浓度的臭氧能够有效提前天然气的燃烧相位，降低天然气的自燃温度，使其在低负荷和冷起动时更容易点火，通过调节臭氧浓度能够实现对天然气HCCI发动机燃烧相位的控制。由于臭氧分子稳定性差，在燃料氧化反应开始之前会通过反应O3+M→O2+O+M生成O原子，这样燃料在氧化初期就能够与O原子进行脱氢反应，其脱氢速率远高于与O2进行的脱氢反应，从而提高了反应前期OH、HO2和H等活性自由基的浓度，促进了燃料的整个燃烧过程。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 HCCI发动机介绍

1．2．1 HCCI发动机的优点

1．2．2 HCCI发动机的燃烧特性

1．2．3 HCCI发动机的国内外研究状况

1．2．4 HCCI发动机存在的技术难题

1．3 燃料和燃烧添加剂的介绍

1．3．1 天然气的理化特性及其应用

1．3．2 二甲醚的理化性质及其应用

1．3．3 乙醇的理化性质及其应用

1．3．4 臭氧(O3)的理化特性及其助燃机理

1．4 本课题的研究意义和主要工作

第二章 计算软件和计算模型

2．1 HCCI燃烧模型介绍

2．2 HCCI多区模型的数学建模

2．2．1 单区模型的数学建模

2．3 发动机气缸模型

2．3．1 气缸工作容积与曲轴转角的函数关系

2．3．2 气缸壁面传热模型

2．3．3 多区模型的区间划分

2．3．4 区间换热模型

2．3．5 区间传质模型

2．4 化学反应动力学模型介绍

2．5 本章小结

第三章 乙醇对二甲醚HCCI燃烧过程的影响

3．1 引言

3．2 模拟时初始边界条件的设定

3．3 结果和讨论

3．3．1 乙醇含量对二甲醚HCCI燃烧过程的影响

3．3．2 不同当量比下乙醇的对二甲醚HCCI燃烧的影响

3．4 本章小结

第四章 乙醇对二甲醚HCCI燃烧抑制机理分析

4．1 引言

4．2 二甲醚HCCI燃烧机理分析

4．3 乙醇HCCI燃烧机理分析

4．4 乙醇抑制二甲醚HCCI燃烧的化学机理分析

4．5 本章小结

第五章 臭氧对天然气HCCI燃烧过程的影响及机理分析

5．1 引言

5．2 模拟对象

5．3 结果和讨论

5．3．1 臭氧对天然气HCCI燃烧的影响

5．3．2 臭氧助燃机理分析

5．3．3 不同进气温度下臭氧的助燃效果

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况