基于添加劑的天然氣HCCI發(fā)動機燃燒特性的試驗與數(shù)值模擬研究.pdf

1、上世紀九十年代后期以來，國內(nèi)外廣泛開展了均質(zhì)壓燃（HCCI）、低溫燃燒（LTC）研究。這是一種結(jié)合了傳統(tǒng)柴油機和汽油機優(yōu)點的全新的內(nèi)燃機燃燒方式。人們發(fā)現(xiàn)，根據(jù)這一理論可以組織最清潔、熱效率最高的燃燒過程，有望顯著減少傳統(tǒng)汽油機和柴油機的有害污染物排放，并降低其燃油消耗。
　　 HCCI 燃燒主要受化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)因素的影響，但燃油與空氣的混合過程對HCCI 燃燒過程和燃燒控制也有著較為重要的作用。因此，燃料與空氣的混合仍然是HC

2、CI發(fā)動機需要解決的一個重要課題，提高燃油與空氣的混合速率成為最近幾年HCCI 研究的一個重點。為了探討混合氣準備策略對HCCI發(fā)動機燃燒和排放性能的影響，本文從HCCI發(fā)動機工作過程的數(shù)值模擬入手，通過燃油/空氣混合過程與化學(xué)動力學(xué)的耦合聯(lián)算與實機試驗研究，探討了提高壓縮天然氣（CNG）HCCI發(fā)動機燃燒效率，降低其未燃碳化氫（UHC）和NOX等燃燒污染物排放的技術(shù)途徑，揭示出純CNG、CNG摻氫或摻DME，以及CNG/DME雙燃料摻

3、氫發(fā)動機HCCI發(fā)動機的燃燒特性及其污染物排放的變化規(guī)律。本文的研究內(nèi)容和取得的成果主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
　　 對CNG發(fā)動機實驗與數(shù)值模擬研究的現(xiàn)狀進行了綜述，較全面地分析了實現(xiàn)CNG燃料HCCI燃燒的技術(shù)措施及其有關(guān)問題。以ZS195型直噴式柴油機為原型機，構(gòu)建了CNG燃料HCCI發(fā)動機專用實驗臺架，在其上開展了純CNG、CNG摻氫或摻DME，以及CNG/DME雙燃料摻氫發(fā)動機的性能及污染物排放的測試研究。針對CNG特殊

4、的理化性能，探討了發(fā)動機不同燃燒邊界條件（進氣溫度、空燃當量比、壓縮比、摻氫或摻DME等）對CNG 燃料HCCI發(fā)動機的性能與排放的影響。臺架實驗結(jié)果表明，CNG燃料HCCI發(fā)動機的進氣加熱溫度隨負荷和壓縮比的增加而降低，摻燒氫可顯著降低CNG燃料HCCI發(fā)動機對進氣加熱的要求，并可使燃燒相位提前，加快燃燒速度，減少燃燒持續(xù)期，增加發(fā)動機的指示熱效率。同時，摻氫還可拓寬CNG的稀燃極限范圍，從而有利于CNG發(fā)動機實現(xiàn)更稀薄的燃燒，降低發(fā)

5、動機的有害排放。
　　 應(yīng)用零維熱力學(xué)模型與詳細化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型的耦合聯(lián)算，在計及缸壁傳熱的情況下，研究了純天然氣以及天然氣摻氫的均質(zhì)壓燃燃燒反應(yīng)機理，探討了發(fā)動機不同運行工況和燃燒邊界對燃燒過程的影響規(guī)律。CNG 燃燒的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型涉及53種組分、325步基元反應(yīng)。此外，還應(yīng)用含有99種組分、477步基元反應(yīng)的化學(xué)動力學(xué)模型，分析研究了摻燒10%和20%體積分數(shù)的氫氣對CNG/DME混合燃料發(fā)動機著火和燃燒過程的影響。

6、結(jié)果表明，控制天然氣HCCI著火過程的反應(yīng)步驟包括HO2與RH反應(yīng)生成H2O2，以及后續(xù)H2O2與H2反應(yīng)生成OH活性基。天然氣摻氫可使其在低溫、低壓條件下產(chǎn)生高濃度的H2O2和OH活性基。通過摻氫量與燃料空燃比控制相結(jié)合，可以有效控制著火定時和拓展HCCI發(fā)動機的負荷范圍。
　　 鑒于零維單區(qū)模型關(guān)于混合氣在缸內(nèi)處于完全均勻混合狀態(tài)的假設(shè)與實際情況并不完全符合，因此，有必要開展多組分均質(zhì)混合氣湍流混合過程與燃燒化學(xué)動力學(xué)耦合作

7、用的理論研究。本文應(yīng)用三維CFD和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的耦合模型，對由缸內(nèi)復(fù)雜流動和燃燒室形狀所引起的混合氣不均勻性及其對燃燒過程的影響進行了數(shù)值模擬計算。通過KIVA-3Vr2程序和CHEMKIN的耦合運算，分析研究了進氣道噴射CNG與缸內(nèi)流場的相互作用及其對燃燒過程的影響，闡明了天然氣發(fā)動機在不同氫氣體積分數(shù)下的燃燒特性和在最高熱效率下穩(wěn)定運行的條件，對天然氣摻氫的最佳氫氣體積分數(shù)與發(fā)動機運行工況之間的關(guān)系進行了優(yōu)化計算，為確定CNG發(fā)動

8、機臺架試驗的最佳氫氣體積分數(shù)提供了理論依據(jù)。天然氣摻氫發(fā)動機的缸內(nèi)壓力、溫度的預(yù)測值與實驗值的對比表明，兩者具有較好的一致性。
　　 在保證計算精度符合要求的條件下，為了盡可能地提高計算效率，并為化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型與CFD多維模型耦合的燃燒計算提供一個行之有效的途徑，在DME 詳細化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型（包含了81種組分、362 步基元反應(yīng)）的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了包含27種組分、145步基元反應(yīng)的DME 簡化機理模型，建立了一整套從零維到

9、三維耦合化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的數(shù)值模型，初步形成了開展控制參數(shù)優(yōu)化和燃燒控制策略研究的計算平臺。通過簡化模型與KIVA-3Vr2相耦合，進行了DME進氣道噴射和不同起噴相位下的DME缸內(nèi)多脈沖直噴對混合氣均勻性和燃燒過程影響的對比研究。模擬計算給出了缸內(nèi)壓力、全歷程混合氣濃度分布、溫度分布和燃燒相位隨預(yù)混合氣形成模式的變化情況，計算結(jié)果為理解均質(zhì)混合氣的制備策略提供了參考。
　　 對采用高十六烷值（DME）和高辛烷值（CNG）雙燃料，

10、以及DME/CNG摻氫拓寬均質(zhì)壓燃（HCCI）發(fā)動機運行工況范圍的技術(shù)途徑開展了探索性研究。應(yīng)用詳細化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型研究了DME/CNG雙燃料HCCI燃燒模式的燃燒反應(yīng)機理，以HCCI非正常燃燒（即部分燃燒和爆燃）所涉及的著火極限和最高壓力極限為界限值，通過調(diào)整DME/CNG雙燃料的不同比例，計算得到了HCCI發(fā)動機運行范圍的MAP圖。研究結(jié)果表明,通過調(diào)整DME/CNG 雙燃料的不同比例,可使HCCI發(fā)動機的運行范圍分別向小負荷或大

11、負荷工況擴展,并顯著提高其最高平均指示壓力。通過數(shù)值模擬計算，揭示了DME/CNG摻氫燃燒可實現(xiàn)著火定時控制和工況范圍拓寬的作用機理。詳細化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)數(shù)值模擬研究表明，氫預(yù)氧化產(chǎn)生的大量活性基團能抑制和延緩DME的預(yù)氧化，從而達到有效控制其著火延遲期、改善預(yù)混合氣制備并擴大發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)負荷范圍的目的。
　　 在不摻氫的情況下，DME/CNG混合燃料HCCI發(fā)動機缸內(nèi)壓力示功圖和UHC、NOX排放的計算值與實驗結(jié)果的對比表明，