（动力机械及工程专业论文）液化石油气hcci发动机燃烧与排放物生成机理的研究.pdf

摘要越来越高的燃油经济性指标和严格的排放法规要求，促使世界各国都在积极研究开发清洁高效的汽车替代燃料。车用液化石油气以其良好的经济性、低排放和抗爆性，成为重要车用代用燃料之一，并得到了广泛研究。均质压燃着火( h c c i )燃烧概念给出了实现内燃机高效、低污染的新途径，是目前国际内燃机界研究的执占。、，o为了解决液化石油气化学动力学模型与三维c f d 软件耦合时，巨大的计算量和对计算机资源的过高要求问题，需要对液化石油气化学动力学模型进行简化。本文首先对液化石油气发动机的研究现状、存在的问题以及数值模拟计算进行了分析。使用相关文献资料和美国l a w r e n c el i v e m o r e 国家实验室公布的数据，构建了液化石油气h c c i 详细化学反应机理。基于大型化学反应动力学软件c h e m k i n ，建立了液化石油气h c c i 燃烧模型，用来模拟液化石油气h c c i 发动机缸内的燃烧情况。在上述研究的基础上，通过对液化石油气均质压燃燃烧反应途径分析和敏感性分析，构建了一个包括9 8 个基元反应和3 7 种物质的液化石油气均质压燃简化动力学模型。对简化动力学模型进行有效性分析，结果表明：本文所提出的简化动力学模型在着火时刻、缸内温度和压力、n o 和c o 排放的计算结果与详细动力学模型基本一致。利用计算流体力学软件f l u e n t 建立了发动机三维计算模型，并将其与本文提出的液化石油气简化动力学模型相耦合，对液化石油气h c c i 燃烧过程和排放特性进行了模拟计算分析，对液化石油气均质压燃燃烧过程和主要排放物h c 、c o 、n o 以及甲醛非常规排放物随曲轴转角变化的历程进行了预测分析。并分别讨论了当量燃空比、e g r 率、压缩比等不同初始条件对燃烧过程和排放物的影响，发现采用e g r 可以有效降低n o 排放；进气温度、进气压力、燃空当量比的增加可以降低u h c 量；而e g r 和增加燃空当量比可以降低c h 2 0 排放。为进一步扩展均质压燃燃烧的运行范围，有效改善液化石油气h c c i 发动机燃烧及排放性能提供了理论基础。关键词：液化石油气；数值模拟；均质压燃；化学反应机理；f l u e n ta b s t r a c tn o w , e v e r yc o u n t r yi ss t u d y i n ga c t i v e l yt od e v e l o pc l e a na n de f f i c i e n ta u t oa l t e r n a t i v ef u e l s b e c a u s eo ft h ei n c r e a s i n g l ys t r i c te m i s s i o ns t a n d a r d sd u et oe n v i r o n m e n t a lc o n c e r n sa n dd e s i r ef o rm o r ee f f i c i e n tc o n v e r s i o nf r o me n e r g yt om e c h a n i c a lp o w e r l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ( l p g ) e n g i n ei sw i d e l yr e s e a r c h e db e c a u s eo fi t sg o o df u e le c o n o m ya n dv e r yl o we m i s s i o n so fn o xa n ds o o t 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 ) e n g i n e sa r eb e i n gp a i dm u c ha t t e n t i o na n dw i d e l yi n v e s t i g a t e dd u et ot h e i rp o t e n t i a lo fh i g ht h e r m a le f f i c i e n c ya n dv e r yl o we m i s s i o n so fn o xa n dp a r t i c u l a t em a t t e r ( p m ) s i n c ed e t a i l e dc h e m i c a lk i n e t i cm o d e l sc a l li n c r e a s et h ec o m p u t a t i o n a lb u r d e ns og r e a t l yt h a tt h e ya r eb e y o n dt h ec u r r e n to r d i n a r yp cc a p a b i l i t i e s ，an e wr e d u c e dc h e m i c a lk i n e t i cm o d e lw a sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r f i r s t l yt h i st h e s i ss u m m a r i z e st h er e s e a r c hs t a t u s ，e x i s t e n tp r o b l e m sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fl p ge n g i n e s ad e t a i l e dc h e m i c a lk i n e t i cm e c h a n i s mh a sb e e nb u i l du pa c c o r d i n gt ot h ed a t at h a tp r o p o s e db yt h eu s l a w r e n c el i v e r m o r el a b o r a t o r ya n dr e l a t e dd o c u m e n t s b a s e do nt h ec h e m i c a lr e a c t i o nk i n e t i c ss o f tc h e m k i n ，t h et h e r m o d y n a m i cc o m b u s t i o ns u b - m o d e lo ft h ee n g i n ef u e l l e dw i t hl p gi sb u i l du pf o rt h es i m u l a t i o no ft h el i q u e f i e dp e t r o l e u mg a sh 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 b a s eo nt h es t u d y i n ga b o v e ，ar e d u c e dm o d e lo fl i q u e f i e dp e t r o l e u mg a sh a sb e e nd e v e l o p e db ys e n s i t i v i t ya n a l y s i sa n dr e a c t i o np a t ha n a l y s i so fi n t e r m e d i a t es p e c i e s n en e wr e d u c e dm e c h a n i s mc o n s i s t so f3 7s p e c i e sa n d9 8e l e m e n t a r yr e a c t i o n sa n di th a sb e e nv a l i d a t e du n d e re n g i n ec o n d i t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a ti tg i v e sp r e d i c t i o n ss i m i l a rt ot h ed e t a i l e dm o d e li nt h ei g n i t i o nt i m i n g ，i n - c y l i n d e rt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ，n oa n dc oe m i s s i o n f u r t h e r m o r e ，t h er e d u c e dm e c h a n i s mc a nb eu s e dt os i m u l a t el p gc o m b u s t i o ni ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ed e t a i l e dm e c h a n i s m i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rb u i l d sat h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l w i t ht h i sr e d u c e dm o d e lc o u p l i n gw i t ht h ec f ds o f t w a r ef l u e n t ，t h e ni tc a l c u l a t e st h ec o m b u s t i o na n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fal i q u e f i e dp e t r o l e u mg a sh c c ie n g i n e w ea n a l y z et h ec o m b u s t i o np r o c e s sa n df o r m a t i o nm e c h a n i s mo fr e g u l a t e da n du n r e g u l a t e de m i s s i o n s a n dd i s c u s st h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n ti n i t i a lc o n d i t i o n so nt h ec o m b u s t i o np r o c e s s e si ia n de m i s s i o n s ，s u c ha se q u i v a l e n c er a t i o ，e g rr a t ea n dc o m p r e s s i o nr a t i o i tp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rf u r t h e re x t e n d i n gt h eo p e r a t i o nr a n g eo fh c c ic o m b u s t i o na n de f f e c t i v e l yi m p r o v i n gt h ec o m b u s t i o na n de m i s s i o n sp e r f o r m a n c eo fl i q u e f i e dp e t r o l e u mg a sh c c ie n g i n e k e yw o r d s ：l p l 3 in u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，h c c i ，c h e m i c a lr e a c t i o nk i n e t i c sm e c h a n i s m ，f l u e n ti i i武汉理t 大学硕士学位论文第1 章引言最近十几年，能源危机和环境恶化逐渐成为影响内燃机发展的重要因素。当前内燃机的主要燃料仍然是石油产品汽油和柴油，现在仅内燃机相关的石油消耗已经达到石油总消耗的6 5 以上甚至更多，而全世界范围内石油消耗量随着汽车产业的发展更是快速增加。尤其是我国最近几年汽车产业迅速发展，并且成为支撑经济发展的主要支柱，对于车用汽油、柴油的消耗更多，我国已经于1 9 9 3 年由石油出口国变为石油进口国，至2 0 1 0 年将近有一半的石油都是依赖进口。汽车燃料对石油的依赖，成为制约汽车产业的一个因素。汽车排放成为城市污染的重要组成部分，随着各国对环境污染的关注，相关排放法规也越来越严格。现在世界范围汽车排放法规主要有以下几个体系：欧洲、f j 本、美国三个，他们制定了适应本区域的严格的排放法规，其中以美国加利福尼亚州的法规最为严格，如表1 1 美国加利福尼亚州排放标准及限值和表1 2 欧洲重型柴油机排放标准。我国现阶段执行的排放法规国i 标准相当于欧i i i 排放要求，而国排放法规也将于最近几年正式实施。严格的排放法规促使研究人员和汽车生产企业采取有效措施降低排放。目前，控制排放的途径除了缸内控制和排气后处理外，另一个有效途径就是寻求新的绿色替代能源。欧美一些国家认为从柴油汽油着手降低排放及燃油消耗已经非常有限，现在都在极力寻求新的可替代能源。其中液化石油气、二甲醚、甲醇、乙醇、天然气、生物柴油和氢气成为各国研究的对象。表1 1 美加州轻型汽车排放标准极限值武汉理丁大学硕t 学位论文表1 2 欧洲重型柴油机排放标准【1 】1 1 液化石油气理化性质及研究现状由于液化石油气的高热值、高辛烷值、低污染、来源广泛、易存储和运输等优点，被认为是很有前途的车用替代“清洁燃料”和可再生的“绿色能源”，世界上经济发达国家很早就利用液化石油气作为汽车代用燃料。1 1 1 液化石油气理化特性液化石油气( l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ，l p g ) 在常温、常压下是一种无味、无毒、无色的气体，根据生成工艺和产地的不同，其主要成分也不一样，一般主要成分为丙烷和丁烷还有少量丙烯和丁烯。液化石油气与其他燃料的理化性能对比见表1 3 ，汽车使用液化石油气作为代用燃料具有以下优点：1 、环境污染小车用液化石油气氢含量大，其他杂质如硫和氮含量少，同时液化石油气是以气态的形式进入发动机的，与空气混合均匀，燃烧完全，火焰温度低，热值高，从而有效的降低了c o 、n o x 和h c 排放水平，微粒排放得到了有效改善【2 】，大大降低了尾气排放对环境的污染。与天然气的发动机排放实验对比，结果显示h c 和c o 均下降，达到5 0 以上【3 】。液化石油气在汽油机上的研究结果显示c o排放下降9 6 、而h c 排放降低3 5 e 4 。日本汽车公司借此研发出了被称为“零污染 的清洁汽车z e v ( z e r oe m i s s i o nv e h i c l e )表1 - 3 车用燃料理化性能对比2武汉理t 大学硕- ：学位论文2 、经济性好液化石油气的热值比柴油、汽油、天然气、甲醇、乙醇的都要高，加上液化石油气燃烧完全，来源广泛，较汽油和柴油售价要低很多，研究分析1 3 l 液化石油气就可以代替1 o l 汽油，所以在燃料消耗上，液化石油气要比汽油降低2 0 - - - - 5 0 t 5 1 。因此液化石油气作为车用代用燃料具有很好的经济性。3 、延迟发动机的使用寿命燃用柴油和汽油作为发动机燃料时，由于燃料不完全气化造成液膜的形成，使得运动部件润滑油被稀释冲刷，造成严重磨损，降低了使用寿命并提高了维修的成本。而液化石油气是一种低沸点的燃料，能够与空气很好的混合，避免积碳的形成。4 、抗爆性好液化石油气的辛烷值在9 4 - 1 l l 左右，比汽油机要高很多。由表1 3 发现天然气的辛烷值也很高，所以这两种成分作为代用燃料时，可以燃用高的压缩比，噪声小，发动机的热效率也高。5 、安全性高液化石油气作为车用新型燃料的安全性更高，这是因为液化石油气即使泄露，较短时间内液化石油气在空气中的含量也很难满足爆炸极限1 7 9 7 ，其燃点4 0 0 0 c , - - - 4 6 0 0 c 也不容易满足，所以其安全性较高。6 、低温启动性好武汉理工大学硕士学位论文液化石油气的沸点为4 2 1 0 c ，根据相关试验表明，液化石油气汽车在3 0 。c时，即使不采取任何措施也能够顺利启动。1 1 2 液化石油气的资源及生产液化石油气主要来自于石油开采过程产生的油气伴生气和炼油厂副产物，就是我们常说的油田气和炼厂气。1 炼油厂石油气中获取炼油厂石油气是在石油加工和炼制的过程中产生的一种副产品，其产量受炼油厂采用的炼油技术及加工深度的影响。根据炼油厂工艺的不同可以分为焦化气、催化重整气、热裂化气、蒸馏气和催化裂化气五种类型。再利用专门的分离装置将混合气中的丙烷和丁烷分离出来即可。当前，我国获取液化石油气的主要方式就是从炼油厂的裂化气中得到。2 油田伴生气中获取在传统的油田开采过程中，油田伴生气和石油是同时从油井喷出来的，在油井上安装的油气分离器能够将从油井抽取的油田伴生气与石油分离出来。我国胜利油田、大港油田等都有油田伴生气产生，这些气体带有5 左右的丁烷和丙烷成分，然后利用传统的吸收方法就可以把他们分离出来，这样获得丙烷含量很高，含硫量非常低的高质量液化石油气。3 天然气分离获取天然气实际有两种形式，即干气和湿气。在湿气中，有百分之十以上的丁烷、丙烷、乙烷等烷烃，所以通过一定方法将湿气中的丁烷和丙烷等成分分离抽取出来，就可以得到我们需要的液化石油气。液化石油气质量的好坏与提取方法及获得的来源有关，一般情况下从油田伴生气中获取的液化石油气的质量水平要比从炼油厂油气中提取的液化石油气好。但是油田伴生气一般不能够作为车用燃料直接来使用，这是由于烯烃在燃烧后会结胶，使得车用发动机的活塞环、气门和火花塞等处严重积碳，发动机使用寿命严重降低。1 1 3 液化石油气车用发动机国内外研究现状分析近几年，数值模拟方法在液化石油气h c c i 发动机的研究与开发中得到了4武汉理t 大学硕：l ：学位论文广泛应用。液化石油气发动机数值模拟的重点集中在对液化石油气化学动力学模型和燃烧反应机理的研究上。目前，国内外许多学者研究了液化石油气一汽油柴油混合燃料发动机排放特性。研究结果表明，燃用液化石油气汽油柴油混合燃料的发动机，c o 和碳氢化合物排放得到明显的改善。天津大学李远洪、尧命发等【6 】，对发动机燃用液化石油气柴油双燃料时，分析了不同比例的液化石油气对发动机排放特性的影响。张博彦、雷艳等【_ 7 】对液化石油气汽油双燃料电控喷射系统的控制方法及组成进行了详细的阐述。施金彪【8 】对6 1 1 4 液化石油气发动机的排放控制措施、点火系、燃气供给系、电控系特点进行了介绍。薛云、姚广涛等1 9 】对液化石油气加氢进行了试验研究，证明气体燃料掺烧一定比例的h 2 后，对发动机动力性和排放性都有一定程度的改善。郭辉【l o 】成功设计了电控液化石油气发动机稀燃控制软硬件系统，并对其稀燃界限和影响进行了分析研究。周重光，严兆大等【l l j 把叉车用柴油机改装成液化石油气发动机，对中高转速下的排放同空燃比的关系进行了分析。上海理工大学刘牮、陈辉等【1 2 】，对一台小型单缸四行程汽油机进行改造，进行了使用液化石油气作为单一替代燃料试验研究。2 0 0 9 年，k em u s t a f a 、h w g i t a n o b r i g g s 0 3 以排量为1 8 3 c c 四冲程点燃式发动机为试验机，测得了液化石油气不同掺烧比时，发动机的有效功率、有效燃油消耗率以及c o 、c 0 2 、n o 。和未然h c 排放量。与试验方法相并行，计算模拟技术在液化石油气h c c i 的研究中发挥着重要作用。浙江大学周重光【1 4 】对l p g 发动机燃烧过程进行了三维数值模拟和试验研究，分析研究了混合气浓度和点火提前角对燃烧的影响，得出l p g 发动机的排放和空燃比关系密切。罗马吉教授【l5 】对d m e l p g 混合燃料h c c i 的燃烧过程及机理进行了模拟研究，成功构建了d m e l p g 详细化学反应机理，并且对低温、高温燃烧预测良好。姚毅【l6 】利用数值模拟对l p g 发动机工作过程进行了研究。美国在上世纪3 0 年代就有液化石油气汽车，现在对于液化石油气电控喷射技术的研究也取得了很大进展。日本对于液化石油气汽车的研究已经有几十年的历史，日本首先在政府的支持下，将液化石油气作为出租车代用燃料，到1 9 8 0年日本的液化石油气汽车已经达到3 0 万辆之多。液化石油气汽车在澳大利亚等国家也得到了长足的发展，尤其是二战后，全世界范围内石油的消耗增多，需求增大，使得液化石油气汽车取得了较好发展，保有量有了大幅度增加。现在，全世界范围内大约有4 0 0 万辆的液化石油气汽车，在日本大约9 4 的出租车燃用液化石油气；在澳大利亚液化石油气汽车也得到了广泛推广，大约有2 6 万辆的液化石油气汽车；在英国，政府推出财政补偿和道路税减免政策，用于鼓励支持液5武汉理工大学硕士学位论文化石油气汽车的推广与应用。综上所述，液化石油气发动机均质压燃燃烧具有较高的热效率、低的h c 、c o 、c 0 2 和n o 、排放及较小的循环变动等优点；采用新型后处理技术可有效降低发动机的排放水平。但仍存在一些不足之处，目前，国内外对液化石油气车用发动机的燃烧机理和排放污染物的研究较少，缺乏系统完备的研究。仅仅有少数基于单一的丙烷、丁烷空气中燃烧机理的介绍，以及液化石油气与汽油掺烧不同比例排放的分析，缺乏对丙烷、丁烷燃烧机理的简化和影响c o 、c 0 2 、n o x常规排放物和甲醛等非常规排放物的因素的分析。因此，本课题的研究对于发展新型超低排放发动机的燃烧系统提供依据，对以液化石油气为代用燃料的发动机排放污染物中有害组分的生成机理和排放控制方面的研究具有重要指导意义。1 2 新型内燃机燃烧理论及数学模型1 2 1 新型内燃机燃烧理论近年来，新一代内燃机燃烧理论和技术取得快速发展，已经证明使用新一代内燃机燃烧理论技术能够有效降低能源消耗和环境污染。早在1 9 8 3 年n a j t 等就发现了均质压燃( 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 ni g n i t i o n ，h c c i ) 燃烧现象，并对其机理进行了研究。最初人们认为h c c i 燃烧是化学动力学控制的燃烧过程，使发动机燃烧动力学模型有了很大发展，尤其是对复杂燃料机理( 例如正庚烷) 的研究1 1 7 】，有德国h e i d e l b e r g 大学n e h s e 等的模型、美国普林士顿大学h e l d 的模型。复杂的计算模型对计算机提出了很高要求，很难成为实用的工具。特别是对于工程实践，不需要了解每种组分详尽的演变过程，而只需关心总体变化历程和某些主要组分的变化。采用骨架方法构建简化模型具有明显优势，如l i 模型、g r i f f i t h s 模型、h u k e c k 模型、苏万华提出的s k l e模型和解茂昭提出的骨架机理。近年来，国内外主要是进行基于零维热力学模型的详细化学动力学机理研究、基于分散多区计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 模型与详细简化化学动力学耦合研究。h c c i 同时具备传统柴油机压缩自燃和汽油机的均质燃烧的优点，但是在燃烧方式上却与柴油机和汽油机完全不同。其燃烧时是采用的多点着火和稀薄混合气燃烧方式，能够有效避免火焰前锋和形成局部高温区，实现高效、低n o 、低6武汉理丁大学硕_ i ：学位论文微粒排放。h c c i 燃烧方式目前受到运行工况范围较窄和燃烧、着火速率不宜控制问题的困扰。但是由于它的低排放高效率，吸引着世界范围内的研究者的关注，不断发展。以实验方式研究h c c i 燃烧的同时，基于先进计算机数学模拟对h c c i的研究成为研究与开发h c c i 发动机的重要手段，不断涌现新的成果【1 8 , 1 9 。研究发现h c c i 能够适用于多种燃料，采用醇类和天然气燃料对h c c i 燃烧与排放有显著影响，更有利于提高h c c i 的工况范斟2 0 捌j ；醇类燃料的h c c i 工况范围比汽油大，在汽油中掺入部分醇类燃料可以显著扩展h c c i 工况范围1 2 2 】。烃类燃料的燃烧反应机理非常复杂( 可包含上万多种组分近千多个反应) ，人们一直研究用一步总反应和多步反应表示的简化的化学模型。最近人们发现，尽管化学动力学对h c c i 燃烧起重要作用，但是混合过程对h c c i 燃烧仍有重要的影响。混合时出现的微观燃料分布和温度的不均匀性都对着火和燃烧过程有着显著的影响。s j o b e r g 等1 2 3 】研究认为，实际发动机中都自然存在热分层，使燃烧速率变慢。d e c 等【2 4 j 最新的研究结果进一步表明，h c c i 的燃烧不是均匀的，即使是混合气在缸外预混好，也是带有很强的扰动的。这主要是在压缩冲程的湍流运动和传热中形成了热分层，而这些热分层导致h c c i 燃烧的不均匀性。h c c i 燃烧的发生是由最热、最适宜着火的点向较冷的区域逐渐发展的，而这个发展的过程可以有效的降低压力升高率。但是人们发现混合气燃烧主要是由白燃引起的，在亚网格的尺度范围内湍流作用对整个燃烧有相当大的影响。通过热分层在气团内扩大，可控制最大爆发压力升高率，从而使h c c i 向大负荷扩展。z h a o 等【2 5 】在单缸光学发动机上采用p l i f 技术研究了废气再循环对新鲜充量的物理化学作用，直接光学图像和p l i f 图像显示，通过排气门早关得到的再循环残余废气在缸内与可燃混合气形成了明显的分层。在再循环废气与可燃混合气之间边界区域中出现的较高温度区，推动了自燃着火过程的进行。s a n k a r a n 等【2 6 】对燃空混合气和热废气的混合充量反应锋面的着火和扩散过程，以及热量和活化基输运的影响进行了研究。结果表明，标量耗散率和混合气的不均匀性对局部混合气的自燃着火有明显的影响，着火延迟可归纳为混合气成分和标量耗散率的函数。标量混合和湍流度对着火核，i i , 的初始位置和进一步的发展具有明显影响，热核的出现导致着火提前，而冷核则使反应变慢。1 2 2h c c i 发动机数学模型近六十年以来，随着电子计算机的出现和广泛应用，还有计算机硬件的快速7武汉理工大学硕士学位论文发展，计算机工作过程数值模拟逐步得以实现。而h c c i 发动机的数值模拟，自1 9 8 3 年由n a j t 和f o s t e r 提出以来也得到了快速发展和广泛研究，h c c i 发动机数值模拟模型主要有以下几类：单区模型、多区模型、多维模型。( 1 ) 单区模型单区模型又称零维模型，它是借助于对大量燃烧数据的分析，从中找出可能的规律，在通过拟合或者经验公式的方法，得到燃烧过程中存在参数的相关关系式，这样就可以将复杂的缸内燃烧过程转化成几个相关的特征参数之间的关系式。其中w h i t e h o u e 的单区模型和a u s t e n l y n 三角形方法就是常用的两种单区模型。单区模型是最早提出的，对于研究发动机燃烧和数值模拟起到了非常重要的作用，并且试验证明这种方法是非常有效的，至今仍被广泛的应用在许多研究中。常见的商业软件有s e n k i n 2 7 】、c h e m k i n 2 引、h c t 2 9 1 。单区模型能够精确的预测h c c i 燃烧过程，同时也能计算n o x 排放和着火滞燃期。但是单区模型对于最高爆发压力、燃烧效率、h c 和c o 排放存在一些不足，这也是单区模型将内燃机气缸系统视为均匀系统带来的缺陷。( 2 ) 多区模型在实际的发动机燃烧过程中，无论是普通预混燃烧还是h c c i 发动机都存在不均匀性。通过对其进行分区来研究其不均匀性，即多区模型又称准纬模型。目前应用的多区模型通常小于1 0 个区，在每个区域内温度、混合气组分都是均匀的，如图1 1 所示的6 个区的多区模型，这6 个区是核心区( 又划分为由内向外三个区) 、外区、边界层区、活塞缸套间的狭缝区。姗i 曲0x，1 2 湖i - -椭0= ：j底z m o 一腌么；彩刚心夕套1。z o t t o i瑚瑚瑚删c d图1 1 六区模型分区示意图及各区模拟温度多区模型考虑了发动机燃烧室内温度和组分的非均匀性，着火起始位置一般在高温区，与高温区相邻的区域受到影响随之发生自燃，而缝隙区温度较低，所以不能够自燃。因此，多维模型能够准确预测燃烧和排放情况，尤其是对于c o受武汉理工大学硕士学位论文和未燃h c 排放。但是，无论是单区模型还是多区模型都需要设定进气门关闭时刻缸内初始边界( 如温度、压力、组分等等) ，这种方法常运用参数的快速优化，因为其计算时间较短。( 3 ) 多维模型在数值研究过程中，为了研究缸内流体运动，就求助于把c f d 与详细机理进行耦合的多维模型。因为它的计算量很大，对计算机资源的要求也相当高。所以最近几年，随着计算机产业的发展，h c c i 多维模型的研究发展迅速，得到了广泛关注，无论是研究论文还是研究成果均逐年增加【3 9 】。国外在h c c i 多维数值模型做了大量研究，其中美国w i s c o n s i n 大学利用发动机h c c i 多维数值模拟做了很多开创性工作【3 m 5 1 ，他们首次将c f d 与详细机理进行耦合研究。美国w i s c o n s i n 大学对均质压燃多维数值模拟已取得了许多首创性成果 4 0 , 4 1 】。文献【4 0 】对多维c f d 模型与详细化学反应机理耦合进行了首次模拟计算。以异辛烷、正庚烷和天然气为燃料，将c h e m k i n 程序与k i v a 3 v耦合进行燃烧模拟计算。模拟结果显示，h c c i 的燃烧是燃烧室内多点同时着火，同时燃料化学动力学机理与缸内湍流对燃烧速率影响较大。模拟结果如下图1 2 所示。孵i j 羧*a 、3 3 。c a ( b t d c ) 时的燃油分布b 12 7 。c a f b t d c ) 时的当量比分布一- t润c ) 1 9 。c a ( b t d c ) 时的温度分布d ) 1 。c a ( b t d c ) 时的温度分布图1 2k i v a 3 v + c h e m l ( 玳计算结果对于由燃烧室几何结构影响流体湍流特性，从而问接对h c c i 燃烧过程构成影响，文献【4 2 1 通过多维模拟进行了深入研究。分析结果表明：缸内湍流对h c c i 燃烧性能有很大影响。是基于壁面传热来影响混合气温度，间接对h c c i9武汉理t 大学硕士学位论文燃烧产生影响，这点不同于传统发动机。1 3 本文主要研究内容随着车用燃料的日益匮乏，汽车排放法规的日益严格，对新型燃料的研究刻不容缓。本文采用的液化石油气主要成分为c 3 h 8 与c 4 h 1 0 ，首先通过两种组分的高温化学反应机理和低温化学反应机理，经过筛选删除重复组分和基元反应得到适用于h c c i 发动机的液化石油气详细化学反应机理。然后利用温度敏感性和速率敏感性及浓度敏感性分析，得到简化的液化石油气燃烧化学反应机理。并对简化机理与详细机理进行对比验证，分析其正确性。( 1 ) 将构建的液化石油气燃烧化学简化机理与f l u e n t 软件耦合，对液化石油气h c c i 发动机进行燃烧模拟，并对燃烧过程进行分析。( 2 ) 预测n o x 、c o 、c h 2 0 及未燃碳氢排放物浓度，并对影响这些排放物的因素进行分析。( 3 ) 考察负荷、压缩比、转速等因素对h c c i 燃烧及排放的影响，分析计算结果，以期得出有价值的影响h c c i 燃烧及排放的边界条件，为液化石油气h c c i 发动机的实用研究提供理论指导。1 0武汉理t 大学硕士学位论文第2 章液化石油气简化化学反应动力学模型的研究2 1 软件介绍大型气相动力学计算软件包c h e m k i n ( c h e m i c a lk i n e t i c s ) 是19 8 0 年由美国s a n d i a 国家实验室燃烧研究小组开发的，c 艇m k i n 不是一个应用软件，它只是一个子程序库，目的在于解决带有流动性的燃烧过程中的化学问题提供一个技术工具。c h e m k i n 功能强大，用于复杂化学反应问题的求解，常用于等离子体、化学气相沉积、催化过程、燃烧过程及其他化学反应的模拟。c h e m k i n 借助于自带的反应器，允许用户根据自身需要选择和设定解决问题的反应器组合模型。并且图形后处理器能够很快的将运算的结果显示出来，方便用户查看结果的正确性，同时可以将需要的数据以第三方软件打开。c h e m k i n 有多种针对不同模型的应用程序，在4 0 版本中共有2 3 种计算模型，3 个核心软件包，分为6 大类。三个核心程序模块为：1 ) 气相动力学( g a s p h a s ek i n e t i c s ) 2 ) 表面动力学( s u r f a c ek i n e t i c s ) 3 ) 传递( t r a n s p o r t ) 。六大类分别是：封闭的零维反应器开放的零维反应器流动反应器火焰模拟反应器多晶片沉积滞留c v d 反应器爆管反应器2 2 液化石油气简化动力学模型的建立h c c i 发动机与我们常见的传统的火花点火汽油机和缸内喷射柴油机的燃烧过程有所不同，它的着火燃烧过程是通过对缸内的自燃混合气压缩实现的。因此，发动机排放水平和缸内燃烧过程受燃料的化学反应动力学的影响非常大。详细的化学反应模型包含了过多的组分和基元反应，与c f d 耦合做燃烧计算时，其巨大的计算量和对计算机资源的过高要求阻碍了它的应用。为了解决这个问题，就需要采用一定的方法，将详细机理进行简化。将对燃烧过程影响较小的组分和反应删除，保留整个反应的骨架部分，选取核心反应和重要组分，组成简化的化学反应机理，减小计算量，降低了c f d 分析过程对计算机性能的要求，提高了数值计算的效率，扩大了其应用范围，同时保证了研究所需要的精度。有助于人们武汉理工人学硕_ i ：学位论文对化学反应燃烧过程进行深入研究。2 2 1 简化动力学模型的建立方法简化动力学模型的建立方法主要有两种。( 1 ) 通过一定数学手段，对详细化学反应动力学模型进行简化，将对燃烧过程影响微小的组分和基元反应删去，以减少计算量。目前应用这种途径进行机理简化的方法有很多种，如敏感性分析法、准稳态假定法、计算奇异摄动理论、主要组分分析、自适应化学理论、固有低维流行法和反应率控制的约束平衡理论等。准维态假定和计算奇异摄动理论通过减少方程数目，来减少计算量，但是这些组分和反应需要根据经验判断。而敏感性分析法不同于以上两种方法，它不需要进行任何假设就能够有效的分析在整个反应过程及整个系统中哪些反应是必不可少的，哪些反应是可以忽略的，并将次要反应去除，这样得到的化学反应机理就得到大幅简化。1 1 敏感性分析法：在以上提到的几种详细化学反应动力学简化方法中，敏感性分析方法是应用最为广泛的一种方法，应用在许多研究领域。敏感性分析方法是浓度敏感性和温度敏感性两种方法结合使用的。对于一个化学反应，假设它是由j s l 种化学组分和足个基元反应组成的一个复杂的反应系统，基元反应是指在分子水平上按确定的反应途径来进行的、并可以用化学反应方程式描写的反应。而化学反应的快慢程度用化学反应速率来表示，反应速率可用反应物的耗散速率或者生成物的生成速率来表示。用一阶常微分方程形式表示第i 种组分的反应速率，如下( 2 1 ) 所示：a n粤= f ( c 1 ：po c , ；k l ，k r )d t( 2 1 )qb = c o ，扣1 ，2 ，s公式中，j l 是独立变量即自由变量，组分i 的浓度c l 是待求值即因变量，系数露，是系统参数。c ? 为在r = t o 时的起始条件。在起始条件不变的情况下，各个系统参数七，变化对c ，的解有显著的影响。人们把c 。的解对七，的依赖程度称其为敏感性。敏感性分析时，通常需要对方程( 2 1 ) 取偏微分，这样就可以得出目标敏感性系数的微分方程：1 2武汉理工人学硕士学位论文昙f生-导f(“嗝)0甄lt ，j 识”毒( 豺“+ 浆l 剐( 2 2 )( 2 - 3 )( 孰，+ 啦) 训，c 2 4 ，公式( 2 2 , - - 2 - 4 ) 中，偏导数后面标注的c ，表示在微分中c ，为定值，c 胁意思是除c 。外，其他c ，是定值。于是，通过这种方法就将简化机理问题转化为数学问题，针对详细的化学机理，各个反应的敏感性系数进行比较，将敏感性系数小的反应剔除，实现对复杂反应机理的简化。反应速率分析法( r a t eo fp r o d u c t i o n ，r o p ) 首先借助于净反应速率的概念，通过计算所有基元反应对其中的某个组分的净产生速率影响的大小，来分析确定反应发生的方向，对于链反应，这种方法是相当有效的，可以非常便捷的得出链传播过程引发的反应。2 ) 计算奇异摄动理论：主要是用来解决刚性问题的，“刚性定义为由于所要研究的系统中的不同变量之间的时间步长相差巨大，而造成的数值计算过程中，计算收敛困难并且效率低的情况。对于这种问题，如果解决过程中选取的离散步长过大，就会降低计算精度，反之过小就会造成计算量的增加。计算奇异摄动方法目的就是在保证精度的前提下，消除这种类型的刚性，减少计算量。3 ) 准稳态假定法( q u a s is t a t i o n a r y s t a t e a p p r o x i m a t i o n ) 与奇异摄动理论比较类似，都是将所要简化的详细机理的基元反应和某些组分设为准稳态，通过减少次要反应数目来减少基元反应的，但是面临的问题都是人为误差较大，都需要一定的经验来判断。4 ) 主要组分分析法：主要组分分析法( p r i n c i p a lc o m p o n e m a n a l y s i s ，p c a )是利用对速率敏感性系数矩阵进行特征值和特征向量分析，将反应机理中的次要成分和有关的基元反应删除，从而达到对详细机理的简化目的。但是这种方法人为的因素影响较大，因为对平衡反应和稳态物种的判断，需要具备丰富的经验。另外这种方法对特定的组分和使用温度范围是有要求的，所以误差往往较大。5 ) 自适应化学理论：该理论是由美国麻省理工学院的g r e e n 教授等 4 3 , 4 4 1 提出的。自适应化学理论是将原有较为复杂的物质化学反应模型通过数学的方法，简化为能够满足不同条件使用的若干个小的简化模型。实际上，用于物质化学反应的数值计算时，计算机系统仅仅需要对简化后的反应项进行模拟，就可以方便、1 3武汉理t 大学硕十学位论文快捷、准确的完成数值模拟过程，节约了计算时间，提高了工作效率。6 ) 固有低维流行法：固有低维流行法( i n t r i n s i e a ll o w - d i m e n s i o n a lm a n i f o l d s ，i l d m ) 是由m a s s 和p o p e 于1 9 9 2 年提出的，它是微分几何的概念。i l d m 是依据基元反应的时间尺度的不同来分析的，不同基元反应之间的时间尺度能够相差8 个数量级以上。( 2 ) 采用骨架形式构建简化动力学模型。详细化学动力学模型中，对各类反应的高度概括就是这里所说的骨架。在这种形式的简化动力学模型中，只需要借助一个通用的反应就可以代表多个有可能会进行的反应。实际上，针对实际应用的大多数过程，燃烧化学反应过程的每种组分的详细反应过程，并不需要了解的非常清楚，仅仅需要了解主要反应和总体变化，所以通过骨架方法得到的化学简化动力学模型就有明显的优越性。液化石油气是一种混合燃料，本文用于模拟研究的液化石油气成分采用质量比为6 0 丙烷( c 3 h 8 ) 和4 0 丁烷( c 4 h l o ) ，低温详细化学反应机理采用文献【4 5 1 模拟研究烷烃在热金属表面的自燃得出的液化石油气详细化学反应机理的低温反应部分，包含3 5 种组分和1 6 5 个基元反应。液化石油气燃烧高温化学反应机理，采用美国l a w r e n c el i v e r m o r e 国家实验室公布的热力学数据和化学机理，并结合b l i n t l 4 6 , 4 7 和h a w r o t h 4 8 1 修改并应用到内燃机中的c 3 h 8 + 处r 燃烧反应机理及m a r i n o v 【4 9 1 和w a r t h 5 0 】等总结的c 4 h l o + a i r 燃烧反应机理，总共包含8 0 种组分和5 5 2 种基元反应，通过将重复的基元反应和组分删除，整理得到适合本文液化石油气h c c i 发动机所需要的液化石油气详细化学反应机理，包含9 2 种组分和6 3 7个基元反应化学方程式的详细机理。2 2 2 主要反应组分和基元反应的确定本文采用c h e m k i n4 0 软件进行温度敏感性和浓度敏感性分析，对影响液化石油气燃烧化学反应动力学的主要反应组分和基元反应进行研究。将对温度敏感性系数绝对值小于0 1 的反应予以清除，得到温度敏感性系数图2 1 。1 4武汉理工大学硕士学位论文图2 - 1 温度敏感性系数分析图表2 1 温度敏感性大的基元反应r 2o + o h = 0 2 + hr 2 3 2c 3 1 - 1 8 + h 0 2 = i - c 3 h 7 + h 2 0 2r 212 h 0 2 = h 2 0 2 + 0 2r 2 3 4c 3 h s + o h = i - c 3 h 7 + h 2 0r 2 32 0 h ( + m ) = h 2 0 2 ( + m )r 2 4 0c 3 h $ + c h 3 = i - c 3 h 7 州：h 4r 2 82 c h 3 ( + m ) = c 2 h 6 ( + m )r 2 4 7n - c 3 h 7 ( + m ) = c 2 h 3 ( + m )r 3 4c h 3 + h 0 2 = c h 3 0 + o hr 2 4 8n - c 3 h 7 b 0 2 = ：c 3 h 6 斗i h 0 2r 3 5c h 3 + h 0 2 = c h 4 + 0 2r 3 6 0c 4 h i o 删= p - c o l l 9 + h 2