天然氣/柴油反應(yīng)活性控制壓燃反應(yīng)機(jī)理仿真研究

【摘要】：理想均質(zhì)壓燃(HCCI:Homogeneous Charge Compression Ignition)是發(fā)動(dòng)機(jī)高效、低污染燃燒的最佳技術(shù)方案,然而其燃燒始點(diǎn)和燃燒速率不可控的固有缺點(diǎn)嚴(yán)重制約了HCCI優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮,反應(yīng)控制壓燃(RCCI:Reactivity Controlled Compression Ignition)具有解決這一問題的巨大潛力,在利用柴油和天然氣RCCI燃燒模式實(shí)現(xiàn)HCCI的發(fā)動(dòng)機(jī)全工況范圍拓展過程中,急需掌握天然氣/柴油反應(yīng)活性控制壓燃(RCCI)的工作機(jī)理,獲取相關(guān)影響因素的變化規(guī)律,為實(shí)現(xiàn)RCCI的穩(wěn)定控制奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。針對(duì)上述問題,本文采用三維模擬手段研究RCCI工作機(jī)理。首先,建立天然氣/柴油RCCI的零維簡(jiǎn)化機(jī)理,以滿足在普通計(jì)算機(jī)上使用的要求。然后,耦合天然氣/柴油RCCI的三維流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)工作過程,分析不同曲軸轉(zhuǎn)角下,天然氣/柴油RCCI機(jī)理中燃料分子、中間基團(tuán)和NOx濃度的空間分布及變化,分析RCCI的工作機(jī)理。本文第一部分是天然氣/柴油反應(yīng)機(jī)理的建立。利用零維CHEMKIN軟件,分別對(duì)LLNL正庚烷的詳細(xì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理和GRI3.0甲烷詳細(xì)機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)化,然后將簡(jiǎn)化好的機(jī)理進(jìn)行合并。結(jié)論如下,(一)結(jié)合多種自動(dòng)簡(jiǎn)化方法,經(jīng)過13步的簡(jiǎn)化,最終正庚烷的簡(jiǎn)化機(jī)理包含114種物質(zhì),455步反應(yīng)。與LLNL詳細(xì)機(jī)理相比,物質(zhì)種類減少了82.6%,反應(yīng)步數(shù)減少了83.9%;滯燃期,CO和C2H2等的計(jì)算結(jié)果都在誤差范圍內(nèi)。說(shuō)明簡(jiǎn)化好的正庚烷機(jī)理可以用于下一步機(jī)理的合并,并且實(shí)現(xiàn)了機(jī)理尺寸的減少,計(jì)算效率的提高。(二)結(jié)合多種自動(dòng)簡(jiǎn)化方法,經(jīng)過4步的簡(jiǎn)化,最終甲烷的簡(jiǎn)化機(jī)理包含20種物質(zhì),70步反應(yīng)。與GRI3.0詳細(xì)機(jī)理相比,物質(zhì)種類減少了62.2%,反應(yīng)步數(shù)減少了78.4%。滯燃期,CO和NO等的計(jì)算結(jié)果都在誤差范圍內(nèi)。說(shuō)明簡(jiǎn)化好的甲烷機(jī)理可以用于下一步機(jī)理的合并,并且實(shí)現(xiàn)了機(jī)理尺寸的減少,計(jì)算效率的提高。(三)合并正庚烷和甲烷的簡(jiǎn)化機(jī)理,最終建立的天然氣/柴油RCCI的簡(jiǎn)化機(jī)理包含118種物質(zhì),479步反應(yīng),通過了三維試驗(yàn)的驗(yàn)證,說(shuō)明合成的RCCI簡(jiǎn)化機(jī)理可以滿足指導(dǎo)天然氣/柴油RCCI試驗(yàn)研究的需求,同時(shí)機(jī)理尺寸小,對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求低,計(jì)算效率高。該機(jī)理可以做為分析研究天然氣/柴油RCCI氧化過程的一個(gè)基礎(chǔ)工具。該機(jī)理簡(jiǎn)化過程也為其他不同反應(yīng)活性燃料的RCCI機(jī)理簡(jiǎn)化提供了參考。本文第二部分,將合成的天然氣/柴油RCCI的簡(jiǎn)化機(jī)理,與三維AVL FIRE軟件進(jìn)行耦合,天然氣燃料通過進(jìn)氣道引入,柴油通過缸內(nèi)直噴引入,在轉(zhuǎn)速1460r/min,指示平均有效壓力為13.5bar條件下(中高負(fù)荷)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并對(duì)該RCCI的燃燒過程、NOx排放過程和化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理物質(zhì)濃度進(jìn)行分析。結(jié)論如下,(一)該天然氣/柴油RCCI模擬工況的CA10是在8°ATDC出現(xiàn),CA50在13.9°ATDC出現(xiàn),CA90在26°ATDC出現(xiàn),對(duì)應(yīng)的燃燒持續(xù)期有18°CA,說(shuō)明了RCCI利用不同反應(yīng)活性燃料可以控制燃燒放熱率。最高壓力升高率不超過4bar/deg,低于10bar/deg的壓力升高率的限制,說(shuō)明RCCI發(fā)動(dòng)機(jī)可以有降低工作噪音的潛力。并且氣缸內(nèi)最高平均溫度為1639K,說(shuō)明RCCI屬于低溫燃燒,可以有效降低NOx的排放量。(二)該天然氣/柴油RCCI模擬工況,正庚烷先于甲烷消耗。正庚烷在-12°ATDC時(shí)開始有微微的下降。在上止點(diǎn)之后3°CA時(shí),正庚烷消耗速度明顯加快。而甲烷在-3°ATDC時(shí)有一個(gè)微降,在8°ATDC時(shí),甲烷有明顯的快速消耗。模擬結(jié)果表明RCCI高活性的燃料氧化溫度低,先消耗,氧化放熱量增加使溫度達(dá)到低反應(yīng)活性燃料的氧化溫度時(shí),低反應(yīng)活性的燃料再開始氧化,說(shuō)明如果兩種燃料的反應(yīng)活性梯度更大,RCCI的效果可能更加理想。(三)該天然氣/柴油RCCI模擬工況,甲烷開始消耗時(shí)刻-3°ATDC與正庚烷開始消耗的時(shí)刻-12°ATDC之間有9°CA的延遲;甲烷開始快速消耗時(shí)刻8°ATDC與正庚烷開始快速消耗時(shí)刻3°ATDC之間有5°CA的延遲;說(shuō)明RCCI的燃燒首先開始于高反應(yīng)活性燃料的氧化消耗,然后低反應(yīng)活性的燃料再氧化消耗,說(shuō)明RCCI具有“順序自燃”的特點(diǎn),從而控制了燃燒(始點(diǎn))相位和放熱率。(四)天然氣進(jìn)氣道引入,柴油缸內(nèi)提前噴射,在燃燒室中形成了正庚烷混合比區(qū)域濃度差別,氧化反應(yīng)開始于正庚烷高混合比區(qū)域,并向正庚烷低混合比區(qū)域傳播。說(shuō)明RCCI中混合比分層是實(shí)現(xiàn)“順序自燃”的關(guān)鍵。同時(shí),在正庚烷高混合比區(qū)域,正庚烷氧化反應(yīng)分解產(chǎn)生的熱量累積到甲烷開始氧化的溫度時(shí),甲烷開始發(fā)生氧化反應(yīng),說(shuō)明在RCCI混合比分層區(qū)域,燃料反應(yīng)活性差異可以有效控制燃燒相位和放熱率。為高效清潔燃燒負(fù)荷范圍的拓展提供了理論的方向。 【關(guān)鍵詞】：天然氣 柴油 反應(yīng)活性控制 反應(yīng)機(jī)理 仿真研究
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TK401
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 緒論12-24
• 1.1 研究背景及意義12-13
• 1.2 天然氣/柴油RCCI國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-15
• 1.2.1 RCCI概念的提出13-14
• 1.2.2 天然氣/柴油RCCI研究現(xiàn)狀14-15
• 1.3 天然氣/柴油RCCI機(jī)理研究的現(xiàn)狀15-23
• 1.3.1 天然氣氧化機(jī)理的研究現(xiàn)狀16-18
• 1.3.2 柴油氧化機(jī)理的研究現(xiàn)狀18-21
• 1.3.3 天然氣/柴油RCCI機(jī)理的研究現(xiàn)狀21-23
• 1.4 本文研究的主要內(nèi)容23-24
• 第2章 天然氣/柴油RCCI簡(jiǎn)化機(jī)理建立24-78
• 2.1 基礎(chǔ)化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型24-27
• 2.1.1 化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率24-26
• 2.1.2 熱力學(xué)模型26-27
• 2.2 機(jī)理簡(jiǎn)化的方法27-32
• 2.2.1 直接關(guān)系圖（DRG）法28-29
• 2.2.2 考慮誤差傳遞的直接關(guān)系圖（DRGEP）法29-30
• 2.2.3 DRG/DRGEP中的敏感性分析方法30-31
• 2.2.4 全物質(zhì)敏感性分析（FSSA）31-32
• 2.3 柴油的簡(jiǎn)化機(jī)理建立32-59
• 2.3.1 正庚烷詳細(xì)反應(yīng)模型32-34
• 2.3.2 正庚烷詳細(xì)機(jī)理的簡(jiǎn)化34-59
• 2.4 天然氣氧化機(jī)理模型59-74
• 2.4.1 甲烷氧化機(jī)理的核心反應(yīng)59-60
• 2.4.2 甲烷簡(jiǎn)化機(jī)理建立60-74
• 2.5 天然氣/柴油RCCI簡(jiǎn)化機(jī)理建立74-75
• 2.6 本章小結(jié)75-78
• 第3章 天然氣/柴油RCCI模型建立與驗(yàn)證78-92
• 3.1 基礎(chǔ)三維數(shù)學(xué)模型78-84
• 3.1.1 質(zhì)量守恒方程78
• 3.1.2 常規(guī)物質(zhì)輸運(yùn)方程78-79
• 3.1.3 能量守恒方程79
• 3.1.4 動(dòng)量守恒方程79-80
• 3.1.5 燃油噴射模型80-83
• 3.1.6 湍流模型83-84
• 3.1.7 燃燒模型84
• 3.2 天然氣/柴油RCCI模型建立84-88
• 3.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)84-85
• 3.2.2 三維網(wǎng)格模型的建立85-86
• 3.2.3 三維模型驗(yàn)證86-88
• 3.3 天然氣/柴油RCCI機(jī)理模型驗(yàn)證88-90
• 3.3.1 天然氣/柴油RCCI工況的初始條件88-89
• 3.3.2 合成機(jī)理與FIRE軟件耦合步驟89-90
• 3.3.3 天然氣/柴油RCCI機(jī)理模型驗(yàn)證90
• 3.4 本章小結(jié)90-92
• 第4章 天然氣/柴油RCCI機(jī)理研究92-108
• 4.1 天然氣/柴油RCCI工況的二維結(jié)果分析92-96
• 4.2 天然氣/柴油RCCI三維結(jié)果分析96-103
• 4.2.1 正庚烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的空間分布96-97
• 4.2.2 甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的空間變化97-99
• 4.2.3 溫度隨曲軸轉(zhuǎn)角的空間變化99-100
• 4.2.4 CH_2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的空間變化100-101
• 4.2.5 CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的空間變化101-102
• 4.2.6 OH質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的空間變化102
• 4.2.7 NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的空間變化102-103
• 4.3 正庚烷氧化分解過程分析103-105
• 4.4 本章小結(jié)105-108
• 第5章 全文總結(jié)及工作展望108-114
• 5.1 全文總結(jié)108-112
• 5.2 工作展望112-114
• 參考文獻(xiàn)114-120
• 附錄120-140
• 作者簡(jiǎn)介140-142
• 致謝142

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