（动力机械及工程专业论文）二甲基醚天然气双燃料hcci燃烧反应动力学研究.pdf

摘要 摘要 均质充量压燃( h c c i ) 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，h c c 燃烧技术已经引起了全世界内燃机学术界和工业 界的高度关注，控制h c c i 着火燃烧过程，拓宽h c c i 运行工况范围是发动机实 现h c c i 燃烧模式的关键和难点。 本文提出了通过双燃料方式控制h c c i 燃烧和拓宽i q c c i 工况范围的新方 法，从理论上研究h c c i 燃烧反应的动力学机理。探讨拓宽h c c i 工况范围的技 术途径。本文首先在一台单缸直喷式发动机上对高十六烷值燃料二甲基醚f d m e ) 的h c c i 燃烧过程进行了初步的实验研究，结果表明d m e 燃烧具有明显的双阶 段放热特点，只适用于小负荷工况，加八c 0 2 后，第一阶段着火始点滞后，燃 烧放热峰值降低，拓宽了发动机的工作范围。 利用c h e m k i n 软件对二甲基醚、天然气( c n g ) 和d m e c n g 双燃料h c c i 燃烧反应动力学过程进行了理论研究，结果表甥二甲基醚的h c c l 燃烧过程踢显 地分为三个阶段：低温反应、蓝焰反应和热焰反应，其中蓝焰反应与热焰反应统 称为高温反应。o h 和c h 3 0 c h 2 是影响整个燃烧的关键所在，其中，c h 3 0 c h 2 是低温反应的开始环节，o h 则是高温反应的关键。随着温度增加( t 8 0 0 k ) ， 系统总反应速率下降，形成负温度系数区域。天然气是典型的单阶段放热，与 o h 自由基的反应是整个反应的关键。d m e c n g 双燃料燃烧反应中，由于d m e 氧化过程中生成了大量的c h 2 0 ，使得天然气氧化过程中基元反应反应程度增 加，导致h 2 0 2 浓度升高。d m e 浓度增加，燃烧始点提前，第一个放热率峰值 增大。天然气浓度增加，着火延迟，第二个放热率峰值随天然气浓度增加而迅速 增大。 此外作者对d m e c n g 双燃料h c c j 工况范围进行了理论计算，计算的 工况范围和实测的工况范围相当致。加入一定浓度的惰性气体( c 0 2 ) 可以进 一步拓宽工况范围。理论计算出的最大平均有效压力可达4 7 b a r ，而加入1 0 c 0 2 以后平均有效压力可拓宽至5 5 b a r 。 关键词：均质充量压燃化学反应动力学二甲基醚天然气 c h e m k i n a b s t r a c t a b s t r a c t h o m o g e n o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ( h c c i ) t e c h n o l o g yn o to n l yc a l l p r o d u c eu l t r a - l o we m i s s i o n s ，b u ta l s oh a sh i g h e rc o m b u s t i o ne f f i c i e n c ya tp a r tl o a d t h a ni t ss ic o u n t e r p a r t ，s oi th a sd r a w nw i d ea t t e n t i o n h c c ic o m b u s t i o np r o c e s si s h a r dt oc o n t r o lb e c a u s ei ti sl i n k e dt ot h ec h e m i c a lr e a c t i o n sd u r i n gt h ec o m p r e s s i o n s t r o k e i na d d i t i o nt ot h i s t h eh c c i o p e r a t i n gr a n g e i sn a r r o w an e wm e t h o dt oc o n t r o lh c c ic o m b u s t i o np r o c e s sa n dt oe x t e n dt h eh c c i o p e r a t i n gr a n g eb yu s i n gd u a lf u e l s ( d i m e t h y le t h e r1c o m p r e s sn a t u r a lg a s ) h a s b e e np r o p o s e d f i r s t ，h c c ic o m b u s t i o np r o c e s si sr e s e a r c h e do nas i n g l e - c y l i n d e r d i r e c t i n j e c t i o n d i e s e l e n g i n e f u e l e dw i t hd m e t h er e s u l ts h o w st h eh c c i c o m b u s t i o no fd m e p r e s e n t sr e m a r k a b l ec h a r a c t e ro ft w o - s t a g ec o m b u s t i o np r o c e s s ， b u tt h eh c c i o p e r a t i n gr a n g ei sn a l t o w t h ei n e r tg a s ( c 0 2 ) c a l le x p a n d t h eb m e p a n dt h eh c c i o p e r a t i n gr a n g e t h eh c c ic o m b u s t i o nc h e m i c a lm e c h a n i s m so fd m e ，c n ga n dd m e c n g d u a lf u e l sh a v eb e e ns t u d i e db yu s i n gc h e m k i n i i is o f t w a r e t h ec o m b u s t i o n p r o c e s s o fd m e e x p e r i e n c e st h r e es t a g e s ：l o w - t e m p e r a t u r er e a c t i o n s b l u e - f l a m e r e a c t i o n sa n d h o t - f l a m er e a c t i o n s o ha n dc h 3 0 c h 2r a d i c a l sa r et h ek e yr a d i c a l s c h 3 0 c h 2 r a d i c a li st h ep r o d u c t i o no ft h eb e g i n n i n gr e a c t i o n s ，o hr a d i c a lp l a y sa l li m p o r t a n t r o l ei nh i g h t e m p e r a t u r er e a c t i o n s w h e nt h et e m p e r a t u r ei sa b o v e8 0 0 k ，t h et o t a l r e a c t i o nr a t ec o m e sd o w n ，t h i sr e g i o ni sn e g a t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ，n t c o n t h ec o n t r a r y , c n gi st y p i c a ls i n g l ep e a kh e a tr e l e a s ea n dr e a c t i n gw i t ho hr a d i c a li s t h ek e y d u r i n gt h ed m e c n gd u a lf u e l sc o m b u s t i o n ，t h e r ea r et w oe l e m e n tr e a c t i o n s a c c e l e r a t ee a c ho t h e ra n dr e s u l ti no hr a d i c a la n dh 2 0 2r a d i c a li n c r e a s e a st h e c o n c e n t r a t i o no fd m ei n c r e a s e t h ei g n i t i o na d v a n c e sa n dt h ef i r s th e a tr e l e a s ep e a k i n c r e a s e w h i l et h ec o n c e n t r a t i o no fc n gi n c r e a s e t h ei g n i t i o nd e l a ya n dt h es e c o n d h e a tr e l e a s ep e a ki n c r e a s e i na d d i t i o nt ot h i s ，t h eh c c io p e r a t i n gr a n g eo fd m e c n gd u a lf u e l si s c o m p u t e da n dt h er e s u l ti sc o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t s a f t e r1 0 c 0 2 i sa d d e d i n t h ec o m p u t e db m e p e x p a n d f r o m4 7 b a rt o5 5 b a r k e yw o r d s ：h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ( h c c i ) c h e m i c a lk i n e t i c sd m ec n gc h e m k i n i i i l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫生盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：夺 赣 签字日期： 2 邱) 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盔鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 京衍 j导师签名- 软衣嗲 签字日期： 妇三 年月6 日 签字日期：知哆年月莎日 第一章绪论 第一章绪论 传统内燃机根据其燃料的理化特性和燃烧特性不同，分为火花点燃式内燃机 ( 汽油机) 和压燃式内燃机( 柴油机) 。汽油机属预混合均质燃烧，借助电火花 点燃。由于汽油特性和爆震等诸多因素的限制，汽油机只能采用较低的压缩比， 使热效率比柴油机低得多，且产生大量n o x 和不完全燃烧产物。另外由于汽油 机需要用节气门控制进气量，部分负荷时的泵气损失使机械效率降低。汽油机的 燃料利用率比柴油机低3 0 。这就是传统汽油机难以克服的燃料利用率极限。 为了突破这一极限，人们直在致力于缸内直喷技术的研究，近年来在分层稀薄 燃烧理论和控制技术方面有很大进步，但分层燃烧又带来了与柴油机类似的微粒 和n o x 排放的增加；特别是由于排气中含氧很多，使成熟的三元催化后处理技 术难以应用，n o x 排放达不到传统电控汽油机的技术水平，限制了其广泛使用。 柴油机属于燃料喷雾扩散燃烧，依靠发动机活塞压缩到接近终点时的高温使 混合气自燃着火。由于喷雾与空气的混合时间很短，燃料与空气的混合严重不均 匀，形成了高温火焰区和高温过浓区。尽管柴油机燃烧室内气体平均温度大约在 1 2 0 0 - - 2 0 0 0 k ，平均空燃比在2 3 以上，但是由于柴油机是局部当量比为l 的扩 散燃烧控制的燃烧过程，火焰温度高达2 7 0 0 k ，极有利于n o x 生成。在高温过 浓区，由于缺氧又生成大量碳烟。总之，由于柴油机非均质燃烧的固有性质，使 柴油机存在碳烟和n o x 排放的最低极限。 为突破传统内燃机排放和经济性极限，这几年国际内燃机界广泛开展了内燃 机新燃烧方式的研究。其中均质充量压燃( h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o n i g n i t i o n ，h c c i ) 燃烧技术在内燃机节能和降低排放方面显示出巨大的潜力，上个 世纪9 0 年代后期引起了全世界内燃机界的高度关注，美国、欧洲和日本研究机 构和相关企业都大力开展这一领域的研究工作。美国能源部2 0 0 1 年提交给国会 的报告指出，h c c i 是内燃机燃烧技术的一个重大进步，它将替代目前的车用压 燃式和点燃式发动机，预计到2 0 1 0 年h c c i 发动机在轻型客车上将得到应用， 到2 0 1 5 年使用h c c i 发动机每天可以节约原油5 0 万桶。因而开展这一领域的研 究具有重要的理论意义和现实意义。 第一章绪论 1 2 h c c i 提出 h c c i 的概念在上世纪7 0 年代就已开始出现，即e t 本s o n i s h i 等提出的活化 热氛围燃烧理论( a c t i v et h e r m o a t m o s p h e r ec o m b u s t i o n ，a t a c ) “，他们发现二冲 程单缸汽油机在从空载到中等负荷、转速从1 0 0 0 f f m i n 3 0 0 0 f f m i n 工况范围内， 汽油机不用点燃可以实现均质压燃平稳运转，他们称之为活化热氛圉燃烧。1 9 8 3 年，n a i l 和f o s t e r 在w a u k e s h ac o o p e r a t i v ef u e l sr e s e a r c h ( c f r ) 机上用简单动 力学模型计算出了适当压缩比、高e g r 与放热率的关系。1 9 8 9 年t h r i n g 用一台 楔形燃烧室、压缩比8 ：1 、预混、汽油混合物温度6 4 0 k 、e g r 为1 3 3 3 的 l a b e c oc o o p e r a t i v el u b r i c a n tr e s e a r c h ( c f r ) 发动机测出了允许的运行参数， 并提出了h c c i 这一描述此种燃烧过程的名词。1 9 9 0 年s o n i s h i 等人又在一个低 压缩比压燃式发动机上，成功进行了燃用甲醇的实验，经济性和排放指标得到大 幅度改善。美国西南研究所( s o u t h w e s tr e s e a r c hi n s t i t u t e ，s w r i ) 最先在柴油机 上开展“预混稀燃”研究。试验装置示意图如图1 - l 所示。利用类似于汽油机进 气道低压喷射的方法把柴油直接喷入进气管中用电加热进气管并采用e g r f 2 1 。 为了保证柴油机的动力性，在大负荷工况仍采用缸内直喷压燃方式，实现h c c i 和c i 的复合燃烧模式。 屯加热器 图1 - 1s w r i 的h c c i 试验装置示意图 1 9 9 6 年r y a l l 和c a l l a h a n 用可变压缩比发动机测出以十六烷值为4 7 的柴油为 燃料的h c c i 运行范围。他们发现可以用压缩比、e g r 率和当量比控制燃烧。1 9 9 7 年n a k a g o m e e ta 1 在直喷柴油机上用早喷的方式达到了低n o x ( 2 0 x 1 0 石) 的h c c i 效果。由于意识到h c c i 在解决n o x 和p m 排放方面的巨大潜力，近两年对于 h c c i 燃烧特点硕究更多，如：研究多种液体燃料h c c ! 的燃烧特点：用多区模 2 第一章绪论 型预测h c c 燃烧和排放；空燃比和温度分布对h c c i 燃烧的影响模型：h c c i 燃烧的多维计算流体力学详细化学动力学模型和试验等等f 3 】。 我国大连理工大学胡国栋教授九十年代初提出的伞喷闪急蒸发混合控制燃 烧理论也体现了h c c i 的学术思想。但是由于当时控制技术发展的限制，h c c i 实现较为困难，所以并没有引起工业界的重视。进入上世纪九十年代以来，由于 内燃机控制技术的发展，包括学术界和企业界在内的内燃机界都十分重视h c c i 的研究，提出了不同概念的h c c i 发动机，如前文提到的a t a c 和h c c i ，日本 交通安全研究院提出了“均质充量柴油机燃烧过程”( h c d c ) 、日本新a c e 研 究院提出了“预混稀燃柴油机燃烧过程”( p r i d i c ) ，随后又提出了多级喷射柴 油机燃烧过程( m u l d i c ) 和日产的m k 系统，以及a c t i v a t e dr a d i c a l sc o m b u s t i o n ( a r ，h o n d a ) t o y o t as o k e nc o m b u s t i o n ( t s ，t o y o t a ) ， c o n t r o l l e da u t o - i g n i t i o n ( c a i ，f o r d ) 。p r e m i x e d c h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ( p c c i ) 等【4 1 。 h c c i 发动机结合了压燃式发动机和点燃式发动机的优点，与传统点燃式发 动机相比，h c c i 可以提高发动机的热效率，因为它没有节流损失，可以提高发 动机的压缩比，并且燃烧持续期短，可以得到和压燃式发动机相当的高的热效率； 与传统压燃式发动机相比，由于是均质混合气压缩燃烧，燃烧反应几乎是同步进 行，没有火焰前峰面，燃烧火焰温度低，几乎没有微粒排放和极低的n o x 排放。 h c c i 发动机对燃油喷射系统的要求较低，可以使用喷射压力较低的燃油喷射系 统，降低燃油喷射系统的成本：h c c i 发动机后处理装置主要用于氧化h c 和c o ， 排放控制装置不需要稀有贵重金属和微粒后处理器，所以h c c i 发动机造价要比 传统的汽油机和柴油机低。h c c i 发动机既可以燃用传统的汽油和柴油，也可以 燃用其它代燃料，并且对燃油的含硫量要求较低：同时h c c i 发动机燃烧噪声低。 h c c i 可以应用到从小型的摩托车发动机到大型的船舶用发动机，也可以应用到 交通运输以外的所有的发动机中，如发电、工程机械和管道泵站中。值得注意的 是，h c c 发动机在相对较窄的速度和负荷的工况范围内，h c c i 发动机更容得 到优化运行，因而与传统发动机在复合动力中应用相比，h c c i 发动机更适合于 复合动力中。 1 3h c c i 研究发展现状 p a r t n e r s h i p f o ra n e w g e n e r a t i o no f v e h i c l e s ( p n g v ) 对全球h c c i 的研究开 发( r & d ) 工作做了一份详尽的调查，表1 1 即为1 9 9 8 - - 2 0 0 0 年的研究结果调 查表【5 1 。 福特( f o r d ) 公司在单缸机上用光学诊断的方法探测可行h c c i 工作机理， 第一章绪论 探寻燃烧控制方法，进行化学动力学分析以更好的理解h c c i 燃烧过程。通用 ( g m ) 公司的研究包括评价h c c i 燃烧应用于发动机系统的可行性，如评价 h c c i 相对于其他先进燃烧概念的优缺点，开发适用模型工具、燃烧控制、h c c i 与传统s i 或c i 发动机之间的过渡等等。康明斯( c u m m i n s ) 研究h c c i 也已经 有1 5 年的历史了，用天然气作燃料的h c c i 固定式工业发动机有很好的排放和 较高的经济性。 除此之外，有很多的国家实验室和高校也在进行h c c i 燃烧研究。如s a n d i a n a t i o n a ll a b o r a t o r i e s ( s n l ) 、l a w r e n c el i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y ( l l n l ) 、 s t a n f o r du n i v e r s i t y 、l o u g h b o r o u g hu n i v e r s i t y 、b r u n e lu n i v e r s i t ya n dw a s e d a u n i v e r s i t y 等等。其中s n l 致力于发展克服h c c i 燃烧技术困难所必须的对于燃 烧过程的基本理解，为此，s n l 配备了一台光学发动机( 图1 2 ，1 3 ) ，利用先 进的激光诊断技术进行缸内过程的研究，如用各种燃油喷射和残留废气混合技术 的混合气制备、混合气部分分层的影响、混合气温度的影响、h c c i 不同程度分 层的自燃特性、未燃h c 的排放来源等等。l l n l 与u cb e r k e l e y 一起主要研究 发展h c c i 燃烧模型、基本燃烧过程和找出h c c i 发动机的最优工况等等。目前 主要解决转速与负荷，冷启动，h c 和c o 排放，升功率和h c c i 与其他燃烧模 式的转换等问题。 表i - i c a t e g o r i e s t o t a i p u b l i c a t l o n sb yr e g i o n p u b i l c a t i o n s f u n d a m e n t a lu n d e r s t a n d i n ga n db e n e f i t3 3 j a p a n 2 0 d e m o n s t r a t i o n usb e u r o p e5 g a s o l i r eh c c ic o n t r 0 18 j a p a n 4 e u r o p e 4 d i e s e ih c c ic o n t r o l33 a i t e r a a t i v ef u e ih c c ic o n t r o i6 j a p a l 3 d e u r o p e 2 l o a de x t e b s i o n5j a l 3 a 1 43 e u r o p e 2 c a t a l y s t sf o rh ca n dc oe m i s s i o n sc o n t r o l 2 j a p a n 1 e ur o p e1 m i x t u r ep r e p a r a t i o nf o rd i e s e l9 j a p a n 9 n i s s a nm k1 0 j a p a n n e w a c e惶 j a p a f i l u n di n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y1 1 e u r o p e k e i ou n i v er s i 【、，8 j a p a n l a w r e n c el i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y s u s 4 第一章绪论 图1 - 3s n l h c c i 光学发动机 1 4h c c i 存在的主要问题和解决方法 h c c i 的燃烧过程主要通过温度、压力和燃油空气混合气的成分来控制，通 过活塞的压缩使其燃烧过程能够在接近上止点附近的时刻进行，显然这比传统汽 油机通过点火时刻控制和柴油机通过喷油时刻控制其着火困难得多，所以尽管 第一章绪论 h c c i 最初的构思提出了近二十年，但一直没有得到应用，近年来，随着发动机 电控技术的发展才使这一燃烧技术逐步得到应用，并引起了全世界内燃机学术界 和工业界的高度关注。然而，要使h c c i 在内燃机中得到更广泛的应用，还有许 多理论问题和工程问题需要解决【6 j ，这些问题概括起来主要有以下几个方面。 一、在宽广发动机运行工况范围着火时刻的控制 由于h c c i 发动机的着火燃烧主要受燃料与空气反应的化学反应动力学所 控制，h c c i 发动机的着火时刻主要由混合气的成分、温度和压力的变化历程所 决定的，控制着火及燃烧过程只能通过问接控制，所以着火时刻的控制是h c c i 发动机面l 临的最大障碍。一方面，发动机输出功率的改变要求其燃料量，即混合 气的浓度，这需要相应改变温度变化历程以保证合适的着火时刻；另一方面，发 动机转速的改变将使混合气发生自燃化学反应累计时间发生变化，表现在着火相 位角将发生变化，这需要通过改变混合气的温度变化历程来补偿。在快速变化的 瞬变工况这些控制问题变得更加困难。 解决上述控制问题一般通过e g r 、可变压缩比( v c r ) 和可变气门定时 ( v v t ) 等技术【w ，e g r 包括量的调节和温度控制，以达到改变混合气成分和 温度的目的，v c r 则是通过发动机上止点附近的压缩温度来控制燃烧，而v v t 同时改变发动机的有效压力比以及缸内残余废气量( 混合气成分和温度) ，通过 这些控制技术来达到控制着火时刻的目的。相对而言，v c r 和v c t 对于瞬变工 况的响应更快，因而引起了更为广泛的关注。 二、扩展h c c i 发动机的工况运行范围 由于h c c i 燃烧是由化学动力学决定的，燃烧几乎是同步进行，发动机在大 负荷工况过快的燃烧反应速度会引起爆震燃烧，其结果是造成过大的燃烧峰值压 力，会引起发动机因机械负荷和热负荷过大而造成损坏，同时会引起发动机高噪 声和n o x 排放增大，所以h c c i 发动机存在向大负荷扩展的问题。另一方面， 对于高辛烷值燃料低负荷工况因燃烧反应速度过慢引起火焰温度过低，使燃烧不 充分，形成大量的中间产物和未完全燃烧产物，能耗率严重恶化，有害排放物增 加；在怠速工况还会导致“失火”。因而对于h c c i 发动机存在向高负荷和低负 荷工况扩展运行工况范围的问题。 国内外研究表明，通过分层燃烧( 温度分层和混合气浓度分层) 可以有效地 扩展h c c i 发动机的运行工况范围，通常可以采用以下方法来实现分层燃烧的目 的，包括变化缸内燃油喷射、喷水恻、改变进气和缸内混合过程以得到缸内燃油 空气残余废气混合物以及改变缸内流场以改变传热过程。天津大学苏万华教授 提出脉冲多次喷油和b u m p 燃烧系统 1 0 - - 1 1 实现h c c i 燃烧过程，实践证明可以 有效地将h c c i 发动机向大负荷工况扩展。 6 第一章绪论 迄今为止，要在全工况范围内实现h c c i 是困难的，比较有效的方法是将 h c c i 实现困难的工况仍采用传统的点燃式或压燃式，实现双模式工况运行，在 汽车驾驶循环发动机整机性能仍有很大改善。这需要发动机工况运行模式切换的 控制系统，但增加了发动机控制系统的复杂性。 三、h c c i 发动机冷起动困难 在冷起动工况，由于没有进气系统预加热，h c c i 发动机混合气压缩温度将 会降低，而且由于燃烧室壁面较冷，传热会使压缩的混合温度迅速降低，对于完 全由动力学决定的燃烧过程温度是最敏感的参数，温度过低将会导致发动机失 火，使冷却起动困难。 解决h c c i 发动机冷却起动主要有：电热塞加热、使用多种燃料或燃油添加 剂、应用v c r 或v v t 技术提高发动机的压缩比等措施。比较现实的方法是在发 动机冷起动时运行在传统火花点火模式，暖车后切换到h c c i 模式。对于装有 v v t 装置的发动机，可以将暖车时间做到短短的几个循环工况，因为高比例的 热残余废气可以使发动机很快切换到h c c i 运行模式。 四、h c 和c o 排放问题 h c c i 发动机n o x 和微粒排放极低，但h c 和c o 排放相对较高。比较直接 的方法是在低负荷工况通过缸内直喷实现分层均质燃烧，但在大部分情况，控制 h c c i 发动机的h c 和c o 排放还需要使用排气后处理装置。h c 和c o 催化技术 比较成熟，在汽车工业中已使用了几十年。然而，由于h c c i 发动机的排气温度 较低，延长催化氧化反应器起反应的时间并降低氧化效率。为了满足h c c i 发动 机h c 和c o 的排放要求，需要发展低温条件下的催化氧化反应器，然而h c 和 c o 排放控制装置相对简单，可靠，并且不需要使用象n o x 和微粒后处理装置使 用的稀有贵金属。所以同时通过化学氧化降低h c 和c o 排放比通过化学还原降 低n o 排放和氧化微粒排放要简单得多，并且h c 和c o 排放控制装置简单、可 靠，而且不需要稀有贵金属。 1 5 问题的引出和本课题的主要工作 和传统的压燃式和点燃式相比，h c c i 燃烧过程主要受化学反应动力学控制 1 2 1 5 1 ，h c c i 的着火和燃烧过程强烈地受燃料的理化特性影响，燃料特性对 h c c i 着火燃烧过程的影响近年来引起了国内外学者的广泛关注b 6 2 0 。英国 b r u n e l 大学的研究者通过对汽油、甲醇和乙醇三种混合燃料c a i 模式进行研究 表明，传统代表燃料特性的辛烷值不足以表示c a i 燃烧的燃料特性，在c a i 燃 烧模式下，通过增加汽油烷烃或芳烃成分改变燃料的辛烷值对工况运行范围几乎 第一章绪论 没有影响。在c a i 模式下三种燃料中乙醇发动机热效率最高，允许采用比汽油 更大比例的e g r ，并且e g r 率的变化范围大，更容易对其燃烧过程进行控制。 国外的研究表明，替代燃料同样适合于h c c i 发动机，因而近年来，国外越来越 多的研究者重视h c c i 发动机燃用代用燃料的研究，如d m e 、l p g 、c n g 以及 醇类燃料，这主要是由于这些代用燃料更容易气化，在缸内更易形成均质混合气， 并且其有较高的十六烷值( d m e ) 或辛烷值( l p g 、c n g 和甲醇) ，容易拓宽h c c i 的运行工况范围，使发动机结构简单，不需要采用复杂的控制系统。同时这也为 石油替代燃料寻找新的高效利用替代途径。 本研究是国家重点规划项目( 9 7 3 ) 项目和国家自然科学基金项目研究工作的 一部分，研究目的是试图通过两种不同特性的燃料一高十六烷值燃料二甲基醚 ( d m e ) 和高辛烷值燃料天然气( c n g ) 、结合冷却e g r 技术使发动机在大的工 况范围内实现h c c i 燃烧，通过控制d m e c n g 的比例和e g r 率控制着火燃烧 时刻和燃烧反应速度，拓宽h c c i 的运行工况范围。本研究的主要内容是从理论 上对均质压燃燃烧过程反应动力学机理以及燃烧边界条件对h c c i 燃烧过程的影 响进行研究，研究主要内容包括： ( 1 ) 高十六烷值燃料一二甲基醚均质压燃烧燃烧反应动力学研究，燃烧边界 条件对h c c i 燃烧过程的影响的研究： ( 2 ) 高辛烷值燃料一天然气均质压燃燃烧反应动力学研究； ( 3 ) 二甲基醚天然气混合燃料燃烧反应动力学研究，不同二甲醚和天然气浓 度对其燃烧反应动力学的影响的研究，以及惰性气体对燃烧反应过程影响的研 究。 上述研究对于认识了解h c c i 燃烧反应机理及燃烧反应动力学过程，进而采 取有效的控制措施控制h c c i 着火时刻及燃烧反应速度，拓宽h c c i 的运行工况 范围具有重要的理论意义。同时通过理论研究，对于实验研究方案确立和研究的 深入开展具有重要的指导意义。 第二章计算软件及模型 第二章计算软件及模型 2 1 内燃机计算模型简介 迄今为止，内燃机燃烧模型可划分为零维模型、准维模型和多维模型三种。 零维模型和准维模型都是利用热力学原理来分析燃烧过程，其控制方程都是以时 间为唯一自变量的常微分方程。多维燃烧模型则是用数值方法求解描述燃烧过程 的质量、动量、能量和化学组分的守恒方程组，它是一组多自变量的偏微分方程 组，一般由模拟缸内各个物理化学过程的若干子模型组成。 零维模型将整个气缸视为均匀场，不考虑参数随空间位置的变化f 单区) 。准 维模型则对空间进行了分区处理，它实际上是零维模型的一个特例：即各区之间 参数不同，但各区之内则仍然采用零维模型假设。由于进行了分区处理。所以可 在一定程度上预测排放。多维模型的建立则要综合运用热力学、流体力学、传热 传质学、化学反应动力学和数值分析等学科的知识，对于这样一个涉及面很广的 跨学科课题，在当前的计算条件和试验、测试技术条件下要走向实用还有相当大 的困难。 目前，为研究h c c i 燃烧过程，人们纷纷寻求一种能有效模拟缸内燃烧过程 的方法，基本上分为单区模型和多区模型两种川。 s a n d i a n a t i o n a l l a b o r a t o r i e s 研究h c c i 燃烧大致使用了三种模型方法【5 1 ； 1 扩展的一维湍流模型( o n e - d i m e n s i o n a lt u r b u l e n c e ，o d t ) ，用于研究发动机 内气体的混合和燃烧； 2 直接数值模拟( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d n s ) 来考察在小尺寸下多维混 合效果； 3 大涡模拟( l a r g e e d d ys i m u l a t i o n ，l e s ) 将o d t 及d n s 相结合用于实际发 动机的几何尺寸和混合气混合策略的研究。 l a w r e n c el i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y ( l l n l ) 研发了两种h c c l 分析工 具：单区模型和多区模型。单区模型已被证实在预测着火开始，预测气缸压力峰 值、指示功率和n o 。排放等方面十分有效，且耗时较少( 工程工作站上5 分钟) 。 多区模型能准确预测燃烧过程，包括h c 和c o 的排放，但耗时较长( 工程工作 站上2 小时) 。 将c h e m k i n 这一计算化学反应动力学的软件和计算流体力学软件相结合 ( 如c h e m k l n + k i v a l 22 1 、c h e m k i n + s t a r - c d 2 3 1 、c h e m k i n + a v l b o o s t l 2 4 1 等) ，能构建较好的多区模型，可以精确预测燃烧过程。 第二章计算软件及模型 2 2 计算软件及其模型 2 2 1c h e m k i n 简介 目前，已有很多计算软件用于模拟研究h c c i 燃烧过程。如k i v a ，h c t ( h y d r o d y n a m i c s ，c o m b u s t i o n ，a n dt r a n s p o r t ) ，c h e m k l n 等。本文所做计算 采用美国s a n d i a 国家实验室的燃烧研究室( s a n d i an a t i o n a l l a b o r a t o r i e s c o m b u s t i o nr e s e a r c hf a c i l i t y ，s a l c r f ) 开发的一个大型气相化学 和等离子体动力学的f o r t r a n 化学动力学分析软件c h e m k i n h i 。 c h e m k i n 软件包是模拟流动系统中基元反应软件( c h e m k i nc o l l e c t i o n l 的 三个基本组成之一，其他两个基本组成分别是传输特性软件包( t r a n s p o r t p r o p e r t yp a c k a g e ) 和表面化学软件包( s u r f a c ec h e m k i n ，i i i ) 。这些软件包 与一般意义上的软件包不太一样，它不是简单的输入初始条件，解方程，输出结 果，而是可以根据用户所要解决的问题选择使用不同的子程序。 2 2 2c h e m k i n 结构 k i m k i n 软件包由两个f o r t r a n 代码块和两个文件组成【2 5 】： 一翻译器( c o d e ) 一气相子程序库( c o d e ) 一热力学库( f i l e ) 一连接文件( f i l e ) 结构如图2 1 所示。其中翻译器( c h e m k i ni n t e r p r e t e r ) 读取化学反应机理 ( g a s p h a s er e a c t i o n s ) 中的化学物质并从热力学库( t h e r m o d y n a m i cd a t a b a s e ) 中读取相应的热力学数据。从翻译器得到一个二进制连接文件，文件中包括关于 元素、物质和反应的所需信息，这个连接文件必须在用户代码中打开。除了连接 文件，翻译器还需要其他三个文件：一个输入文件，一个输出文件和一个热力学 库文件。一旦翻译器执行，连接文件生成，用户就可以使用气相子程序库了，子 程序从用户的f o r t r a n 代码中调出。用户第一步必须定义三个存储序列( 整型、 浮点型和字符型) ，然后从连接文件中调用初始化予程序c k i n i t 创建存储序列。 根据所要解决问题的类型来选择c h e m k i n 子程序。 本文研究的h c c i 燃烧过程为均质压燃，用光学诊断的方法研究h c c i 的燃 烧过程发现第二阶段燃烧是多点同时进行的，一旦开始着火，混合气迅速燃烧且 没有可视火焰传播，因此一般认为h c c i 燃烧仅由化学动力学控制，没有一般燃 烧中的流动、燃烧的相互作用。现在，这种观点已被大多数人所接受，因此基于 第二章计算软件及模型 这种前提的分析方法能较好的预测h c c i 燃烧过程及排放。若缸内为完全均匀混 合的混合气，则湍流对h c c i 燃烧的直接影响不大，但其可以改变气缸内温度分 布及边界层厚度，化学反应动力学对温度很敏感，较小的温度变化也能影响燃烧， 从而间接影响h c c i 燃烧。传热和混合虽然对着火前混合气状态的形成很重要， 但是由于h c c i 燃烧非常迅速，因此他们是次要因素，主要因素还是化学反应动 力学的影响。考虑以上因素，计算选用c h e m k i n 软件包中的s e n k i n 化学动 力学模拟应用码。 g a s ph a s e r e a c t i o n s c h e m i np ) c h e m k i n i n t e r p r e t e r c h e m k i n l i n kf i l e c h e m b i n ) t h e r m o d y n a m i c d a t ab a s e ( t h e r m d a t ) g a s - p h a s e s u b r o u t i n e l i b r a r y a p p l i c a t i o nc o d e 图2 - 1c h e m k i n 软件结构 p r i n t e d o u t p u t f i l e ( c h e m o u t ) 第二章计算软件及模型 2 2 3s e n k i n 简介 s e n k i n 是计算封闭系统中均匀混合气化学反应的f o r t r a n 计算程序，此模型 可对各基元反应速率进行敏感性分析。程序包括六种问题类型： a 定压绝热系统； b 定容绝热系统： c 容积为时间函数的绝热系统； d 等压等温系统； e 等容等温系统； f 压力及温度同为时间函数的系统。 图2 - 2s e n k i n 运行流程 程序运用d a s a c ( d i f f e r e n t i a la l g e b r a i cs e n s i t i v i t ya n a l y s i sc o d e ) 软件解非线 性常微分方程和线性微分方程，前者描述温度及各物质质量分数，后者描述温度 的一阶( f i r s t - - o r d e r ) 敏感性系数及与各反应速率有关的物质组成。d a s a c 软 件包建立在微分代数系统算法器d a s s l 的基础上，它使用b d f ( b a c k w a r d 第二章计算软件及模型 d i f f e r e n t i a t i o nf o r m u l a ) 格式进行时间积分，可以解决包括化学动力学在内的范 围宽广的刚性问题。此程序与处理化学反应机理的c h e m k i n 软件包捆绑运行。 s e n k i n 与c h e m k i n 处理器的关系如图2 2 所示。该应用软件不仅能计算出各时刻 燃烧反应中间产物的各热力学参数，如内能、定压( 定容) 比热、焓、熵等，还