均质压燃发动机燃烧特性的详细反应动力学模拟

应用CHEMKIN化学动力学软件包中的SENKIN模块模拟了正庚烷在HCCI发动机中的燃烧过程。通过修改SENKIN程序 ,加入了Woschni传热模型 ,并在正庚烷详细氧化机理中加入氮氧化物的生成机理 ,将此程序纳入发动机燃烧的零维单区模型。对多种工况参数下的HCCI燃烧和NOx排放进行了系统的计算 ,并分别讨论了进气温度、进气压力、压缩比。

HCCI发动机燃烧多维数值模拟(Ⅰ)——模型的建立和比较

使用多维骨架动力学模型模拟了以异辛烷为燃料的均质压燃(HCCI)发动机的燃烧过程。通过结合多维CFD程序KIVA和反应动力学程序CHEMKIN实现了化学反应与流动的耦合运算。结果表明网格密度和时间步长对HCCI的燃烧过程影响不大,而初始温度对着火点影响显著。通过修改多维模型比较了RNG k-ε湍流模型和标准k-ε湍流模型、Han和Reitz传热模型和传统传热模型、Kong的混合模型和无混合模型,以及不同的缝隙区模型,发现使用RNG k-ε湍流模型、Han和Reitz传热模型和缝隙流动模型计算结果与实验值更为接近。修改后的多维模型在不同当量比下计算得到的压力、放热率和排放值与实验完全一致。

燃油添加剂改善HCCI发动机着火性能的试验研究

针对均质预混合压燃着火(HCCI)发动机低负荷易失火的问题,通过在参考燃料(90％的正庚烷和10％的异辛烷)和93号汽油中分别加入适量的着火改进剂过氧化苯甲酸淑丁脂,在HCCI发动机台架上进行燃烧试验．试验结果表明,在参考燃料中添加质量分数为0．3％-1．2％的过氧化苯甲酸叔丁脂后,与参考燃料相比,低负荷界限拓宽了15％-28％,而高负荷界限却降低了0．5％-7％,表明添加剂在拓宽低负荷的同时使高负荷范围下降．93号汽油添加适量的过氧化苯甲酸叔丁酯能够实现HCCI稳定燃烧,而未加添加剂的汽油则不能燃烧．

HCCI发动机燃烧多维数值模拟(Ⅱ)——运行工况向高负荷扩展方法的探讨

使用多维详细动力学模型模拟了以异辛烷为燃料的均质压燃(HCCI)发动机的燃烧过程。通过结合多维CFD程序KIVA和详细反应动力学程序CHEMKIN实现了化学反应与流动的耦合运算。计算比较了通过降低初始温度延迟着火点,降低缸壁温度和加大涡流比增强缸内的热分层,以及加入EGR率4种不同的方法来降低声响强度,以避免敲缸的发生,实现向高负荷扩展的目的。结果发现通过适当的着火延迟可以有效地降低声响强度,同时保证性能和排放基本不变。在这4种方法中,加大进气涡流比对降低声响强度的效果最为显著,而使用EGR在综合性能方面表现最佳。

HCCI发动机多区燃烧模型的比较研究

多区模型作为现阶段均质压燃(HCC I)发动机高效准确的数值模型得到了世界范围的广泛关注。讨论了不同子模型对多区模型预测性能的影响。以实验为基准,比较了多区模型中区间划分、缸壁传热模型、区间热量交换模型、区间质量交换模型和边界层模型对HCC I发动机燃烧和排放模拟结果的影响,全部计算均基于异辛烷的详细化学动力学机理。结果表明:在区间划分时对温度较低的区域细化可以提高排放的计算效果,而对高温区域的细化对计算结果影响不大;改进的W oschn i传热模型更准确地模拟了缸壁的传热过程;区间的质量和热量交换对计算结果影响显著,特别是质量交换模型的加入使CO排放的预测与实验值更为接近;而边界层厚度模型对整个结果影响不大。

ISAT在HCCI发动机多维详细反应动力学计算中的应用及其改进

通过非结构化自适应列表法(ISAT)在HCCI发动机多维详细反应动力学计算中的应用,讨论了ISAT的性能。结果表明ISAT相对于直接积分明显地减少了计算时间,并可以有效地控制整体误差。计算中针对HCCI发动机燃烧过程化学反应的特点提出了部分ISAT(PaISAT)方法,大大提高了ISAT的计算精度和加速性能。最后通过使用动态修剪技术,降低了ISAT对内存的占用量。

LIF技术在HCCI发动机甲醛定量测量中的应用

利用激光诱导荧光(LIF)技术对HCCI光学发动机内甲醛进行了定量测量研究.Nd:YAG激光器的3倍频输出激光(355 nm)被用来激发甲醛(CH_2O)的104能级,通过测量CH_2O荧光信号推导CH_2O的质量分数信息.实验在HCCI光学发动机缸内燃烧环境下测量了CH2O随曲轴转角变化的在线定量数据.实验结果表明:在进气之前,发动机缸内基本不存在CH_2O;在-28°CA附近,缸内出现了少量的CH_2O;在-10°CA时,缸内CH_2O达到峰值,荧光信号最强;0°CA时,缸内燃烧反应进入高温阶段,高温使CH_2O迅速消失.将所得实验数据与DARS软件仿真得到的模拟数据进行对比,得到了很好的一致性.

适用于HCCI发动机的异辛烷氧化的化学动力学模型(Ⅱ)——一个新的骨架机理

构造了一个包括40种组分和69个反应的异辛烷氧化的骨架机理,该机理可以较准确计算着火点、燃烧速率以及HC、CO和NO_x的排放,适用于HCCI发动机的多维模型的计算。通过与激波管、速压机、喷射搅拌反应器和HCCI发动机实验数据的比较表明,该反应机理在不同温度、压力和当量比下,尤其在高压、稀薄的反应条件下具有很好的性能。在HCCI发动机的单区模型计算中骨架机理计算结果与Curran等人的详细机理计算结果基本相同。

醇类添加剂改善HCCI发动机高负荷爆震试验

在基础燃料(PRF90)中添加少量甲醇和乙醇,研究醇类添加剂对HCCI发动机爆震的影响。试验燃料含甲醇和乙醇体积分数分别为1%、3%、5%,在一台改造过的四缸柴油机的第4缸进行HCCI燃烧试验。试验结果表明,在发动机转速为1400r/min、相同循环喷油量的稳态工况下,随着甲醇和乙醇体积分数的增加,燃烧缸压和放热率峰值逐渐降低,燃烧持续期逐渐增加,爆震得到有效抑制,负荷范围得到拓宽。在较小的体积分数下,甲醇和乙醇的抗爆能力接近,甲醇略优于乙醇,随着体积分数的增加,优势加大。含醇燃料的失火界限比基础燃料窄,HCCI发动机失火可能性增加,兼顾爆震与失火性能,甲醇或乙醇的体积分数应在1%左右。

适用于HCCI发动机的异辛烷氧化的化学动力学模型(Ⅰ)——现有模型的比较分析

通过分析各种不同的异辛烷反应机理的概况,发现由于反应机理构造的目的和方法的不同,各反应机理适用的范围有所限制。为了评价反应机理对HCC I发动机燃烧过程的适用性,必须将它们的计算结果与HCC I燃烧相关的实验进行综合比较。采用零维单区模型,通过5种不同反应机理的计算与速压机、激波管和HCC I发动机等实验数据的比较发现,各反应机理在不同实验状况下性能各异,在此基础上提出了构造适用于HCC I燃烧过程的异辛烷简化机理的必要性。

基于仿真的不同添加成分对HCCI天然气发动机性能影响

该文针对天然气混合均质压燃(HCCI)发动机存在的低负荷易失火问题,基于一台改装的单缸机搭建了相应的三维模型,从缸内燃烧特性和助燃机理两方面对比分析了氢气(H_(2))、臭氧(O_(3))和二甲醚(DME)3种气态添加成分对天然气HCCI发动机性能的影响。结果表明,3种添加成分均能改变天然气空气混合气的自燃燃烧特性,增强着火能力,提前燃烧相位,均可实现天然气HCCI向低负荷范围扩展;自由基OH是强化天然气HCCI燃烧的重要组分,H_(2)和O_(3)的助燃机理在于增加自由基OH浓度,加快甲烷消耗反应速率,DME的助燃机理在于引燃天然气;H_(2)是一种扩展天然气HCCI发动机低负荷运行边界的优良添加成分。

微种群遗传算法在HCCI燃烧模型动力学参数标定中的应用

介绍了一种新兴的高效全局寻优方法——微种群遗传算法,并采用该方法,同时结合CHEMKIN化学动力学软件中的SENKIN模块以及发动机零维单区模型,对新发展的正庚烷化学反应动力学简化模型(40种组分,62个反应)中的7个动力学参数进行了标定．模拟结果表明,标定后的简化动力学模型在当量比0．1～1．3,温度300～3000 K的范围,对着火时刻的预测与详细模型(544种组分,2 446个反应)吻合较好．

CH4-H2混合燃料在HCCI中燃烧的数值模拟

为了研究初始参数对不同掺氢比CH4-H2混合燃料的均质压燃(HCCI)燃烧性能的影响,采用燃烧软件包Chemkin进行了数值模拟,并利用生成速率(ROP)分析法研究了掺氢比和过量空气系数对NO排放主导机理的影响.研究表明,掺氢比、压缩比、进气温度、空气过量系数通过影响发动机内的温度继而影响NOx排放;高掺氢比时可以通过适当降低压缩比和进气温度并增大空气过量系数从而控制NOx的排放.分析表明,掺氢比增大,热力型机理贡献率随之增大,占主导地位;过量空气系数增大,热力型机理贡献率减弱,N2O中间体机理贡献率增大,过量空气系数为2.5时,两种机理的主导地位大致相当.

氮氧化物-大分子烷烃相互作用的化学动力学模型

为准确模拟氮氧化物与C7、C8等大分子烷烃燃料之间的氧化过程,在前人工作的基础上,提出了一个NO-NC7H16相互作用的化学动力学模型.该模型以Marinov的研究成果为基础,并对其进行了部分修改.在此基础上,采用Glaude等人的方法,增加了大分子碳氢燃料与NO之间的基元反应,并且采用了Anderlohr等人最新的研究结果,对部分基元反应数据进行了修正.该化学动力学模型包含245个反应,34种组份.在喷射反应器(JSR)与均质压燃(HCCI)发动机上将试验与计算结果进行了对比,结果表明,在不同的反应初始温度和不同压力下,该机理模型能很好的预测大分子烷烃及其主要中间产物物质的量浓度变化趋势,对NC7H16均质压燃的低温与高温着火时刻的预测与试验值符合较好.

适用于HCCI的正庚烷化学动力学简化模型的研究和比较

利用敏感性分析、主要组分分析以及准稳态假定3种方法,将含有44种组分和72个反应的SKLE正庚烷简化模型再简化到40种组分和56个反应;简化后的模型对滞燃期的预测结果与LLNL详细模型非常接近,与激波管实验结果基本吻合,适用于HCCI发动机的多维模型的计算.与其他模型比较发现,Patel等人的模型缺少在低温区起关键作用的反应,即二次加氧反应(.QOOH+O2.OOQOOH),而Tanaka等人的模型缺少了CO的主要生成历程;在HCCI发动机典型工况范围内,SKLE简化模型预测着火时刻与LLNL详细模型吻合最好,Tanaka等人模型和Patel等人模型表现稍差,说明构建简化动力学模型时必须保证低温反应路径主干完整,同时不能忽略CO的主要生成历程.

加速详细反应动力学计算的ISAT改进方法研究

非结构化自适应列表法（ISAT）方法以其高效、误差可控的突出优点在最近的使用详细反应动力学的燃烧计算中得NT广泛的应用。本文通过对ISAT基本原理的分析，讨论了ISAT存在的问题及改进的方法。在配对混合搅拌反应器（PMSR）和均质压燃（HCCI）发动机中，利用ISAT对不同的改进方案进行了计算比较，讨论了影响ISAT方法性能，如计算时间、内存占用和误差控制等方面的因素。结果表明逆向搜索方法可以显著提高ISAT的加速比，动态存储库方法可以人大降低内存的占用量。

直接数值模拟浓度和温度分层下庚烷的点火

使用二维直接数值模拟方法研究HCCI发动机条件下浓度和温度不均匀性对庚烷点火过程的影响。计算中考虑了详细的组分输运过程、活塞运动带来的气体压缩效应以及简化的庚烷化学动力学机理。二维直接数值模拟展示了燃料的负温度系数(NTC)特性对点火过程的影响,结果表明浓度分层增加使得第二阶段点火延迟时间缩短;温度分层增加,点火延迟时间增加,与具有单一阶段点火特性的燃料相反。之后使用相同DNS程序计算了一维算例,发现初始温度在NTC以内,并且温度与浓度不相关时,浓度分层对点火过程起主导作用,浓度高温度较低的区域先着火;初始温度在NTC以外,并且温度与浓度负相关时,存在一个最容易着火的区域:浓度和温度都较高的地方先点火。