（动力机械及工程专业论文）基于chemkin的hcci燃烧过程的数值模拟研究.pdf

委员： 今叫巷易j 鳓 捌 导师： 璐梳合肫7 眨赡纠磊凌 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及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金起王些太堂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谢意。 学位论文作者签字：签字日期：2 0 1 0年4 月2 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金肥工业太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金肥r 工业太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 签字日期：2 0 1 0 年4 月2 0日 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 电话： 邮编： 签字日期： 2 0 1 0年4 月 2 0 基于c h e m k i n 的h c c i 燃烧过程的数值模拟研究 摘要 随着经济的发展带来的能源短缺与环境污染等问题的出现，内燃机新的燃烧方式 与新能源的研究开发已成为当今内燃机工作者新的研究课题。 均质充量压缩燃烧( h c c i ) 方式兼顾常规压燃式发动机和点燃式发动机的优点。 它具有高的热效率，燃油经济性好，并且在较高的空燃比时具有降低p m 排放的潜力， 由于低的燃烧温度，可以降低n o x 的排放， 它符合清洁排放的要求，有高的效率。 在均质压燃( h c c i ) 内燃机中，燃烧主要由化学反应动力学控制。研究这种情 况下燃料燃烧的化学反应机理、燃烧特性以及影响因素对了解和控制h c c i 有很显著 的意义。本文运用单区、多区无质量交换模型结合美国r e a c t i o nd e s i g n 公司主持研究 开发的化学反应动力学软件c h e m k i n 。研究了正庚烷、异辛烷二组分汽油参比燃 料( p r f ) ，异辛烷、正庚烷、甲苯三组分汽油参比燃料( t r f ) 和异辛烷、正庚烷、甲 苯、二异丁烯四组分汽油参比燃料( d i b ) ，比较了三者燃烧情况及抗暴指数对燃烧过 程的影响；采用a n d r a e 等人发现的甲苯一基础燃料的半简化机理作为汽油参比燃料机 理，分析了异辛烷、正庚烷、甲苯三者的氧化过程，利用多区无质量交换模型研究了 汽油参比燃料h c c i 的燃烧特性，并与单区模型作了比较，数值模拟结果与实验值的 对比显示此模型和机理能基本反映汽油在真实h c c i 下的燃烧情况；利用c h e m k i n 多区有质量交换模型分析了缸内各区之间燃烧与质量交换的情况，并具体介绍了质量 的交换与传递方法。最后基于c h 4 燃料，研究了进气温度、压力、压缩比、转速及添 加剂、e g r 对燃烧过程的影响。 结果表明，同组分参比燃料的抗暴指数越大，着火越延迟，甲苯、二异丁烯能促 进着火，在允许的范围内，选择适当的进气温度、压力、压缩比、转速、添加剂及 e g r 等影响因素，有利于h c c i 燃烧与排放；燃料的反应机理对燃烧起到关键作用， 合理的机理更能体现真实燃料的燃烧情况；与单区模型比较，多区模型没有单区模型 的陡升和急转的缺点，能较好地反映缸内真实燃烧过程；有质量交换的多区模型把区 之间的质量交换等物理现象考虑了进去，模型功能更加强大，提高了模型预测缸内燃 烧过程与排放的能力，使结果更加接近于发动机缸内真实燃烧情况。 关键词：均质压燃；c h e m k i n ；汽油参比燃料；数值模拟；机理 an u m e r i c a ls i m u l a t i o no fh c c i c o m b u s t i o np r o c e s s b a s e do nc h e m k i n a b s t r a c t 1 1 1 ee n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nb e c o m eas e r i o u s i s s u ew i 也m e d e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m i c s t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h en e w c o m b u s t i o nm o d e l sa h l d a l t 锄a t i v er e s o u r c e sh a v eb e e np u r s u e de x t e n s i v e l y a sc o m p a i - e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lc o m p r e s s i o ni g n i t i o n ( c da n ds p a r ki g n i t i o n ( s i ) e n g i n e ，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 o ) c o m b u s t i o n h a sh i g ht h e 衄a l e f f i c i e n c v f u e le c o n o m ya n dt h ep o t e n t i a li nr e d u c i n gp a r t i c u l a t em a t t e r ( p m ) e m l s s l o n a 8 i th a sah i g h e ra i r f u e lr a t i o ( 1 ) b e c a u s eo fl o wt e m p e r a t u r ec o m b u s t i o n , i t d u c e s n i t r o g e no x i d e s ( n o x ) e m i s s i o n ，a n dm e e t s t h ed e m a n df o rc l e a n e re m i s s i o n s i nh c c ie n g i n e ，t h ec o m b u s t i o ni sc o n t r o l l e db yc h e m i c a lk i n e t i c s u n d e r s t a n d i n gt h e c h e m i c a lm e c h a l l i s m ，c o m b u s t i o nc h a r a c t e r sa n dt h e e f f e c to fo t h e rf a c t o r sl s0 tg r e a t i m p o r t a l l c et oc o n t r o lh c c ic o m b u s t i o n t h es i n g l ea n dm u t i l 。z o n em o d e lc o m b m e d m 搬 c h e m k i ns o l v e ra r eu s e dt os t u d yt h r e es u r r o g a t eg a s o l i n e s ，n a m e l yp r i m a r yr e f e r e n c e f u e l ( e r f ) t o l u e n e p r fa n dd i b t h em u t i l z o n em o d e l i su s e dt os t u d yt o l u e n e 。p r f h c c ic o m b u s t i o mt h er e s u l t sa r ec o m p a r e d w i t hs i n g l e z o n em o d e l t h em u l t i z o n em o d e l w 曲m a s se x c h a n g ei su s e d ，w h e r et h em a s st r a n s f e rb e t w e e n z o n e si sc o n s i d e r e d i n a l l y , t l l ee 僚c to fi n 诎et e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，c o m p r e s s i o nr a t i o ，e n g i n es p e e d ，a d d l t l v e s a n d e g ro nt h ec h 4h c c ic o m b u s t i o ni ss t u d i e d t h es i i i m l a t i o nr e s l ll t ss h o wt h a tt h eh i g h e rt h eo c t a n en u m b e r ( o r ) ，t h el a t e r t h e i g n i t i o nt i m i n g t o l u e n e - p r f a n dd i bc a np r o m o t ei g n i t i o n a p p r o p n a ：t em t a k e t e i n p e r a ：t l l r e ，p r e s s u r e ，c o m p r e s s i o nr a t i o ，e n g i n es p e e d , a d d i t i v e sa n de g r a r eh e l p 凡lm h c c ic o m b u s t i o na n de m i s s i o n s t h er e a c t i o nm e c h a n i s mo fc o m b u s t i o np l a y sa k e yr o l e i i lm ec o m b 戚i o np r o c e s s ，r e a s o n a b l em e c h a n i s mc a nr e f l e c tt h e r e a lf u l ec o m b u s t l o n u n l i k es i n g l e z o n em o d e l ，t h em u t i l z o n em o d e ld o e sn o th a v es t e e p i n c r e a s ea 1 1 da b m p t t u i 仉i ti sa b l et od e s c r i b ec o m b u s t i o nm o r ep r e c i s e l y t h em u l t i z o n em o d e l 帅t l lm a s s e x c l 啪g ei m p r o v e sp r e d i c t i v ec a p a b i l i t yo fh c c ic o m b u s t i o na n de m i s s i o n s ，m 她g 妣 r e s u l t sc l o s et or e a lc o m b u s t i o ns i t u a t i o n k e w 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 k i n ；g a s o l i n e s u r r o g a t e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ：m e c h a n i s m 致谢 本论文的研究是在汪春梅老师的悉心关怀与精心指导下完成的。在我研究 生学习过程中，汪老师在学业上对我谆谆教导，在生活上给我无微不至的关怀 与帮助，使我得以顺利完成学业；并且让我在课题的研究过程中积累了宝贵的 经验，这些经验与方法将成为我以后工作的重要指导；汪老师扎实的理论知识、 严谨求实的工作作风以及与人和善的待人态度，给我留下了深刻的印象，这些 也将成为我以后的工作与生活中的坐标! 值此论文完成之际，谨向汪老师致以 衷心的感谢! 感谢周军老师在我平时的生活与学习中给予的关怀与帮助，特别是为我以 后的工作指明了清晰的前进方向。周老师坦率、平易近人的为人态度与雷厉风 行的处事风格将成为指导我人生的教材，在此向周老师致以崇高的敬意! 感谢左承基老师、腾勤老师、孙军老师、钱叶剑老师、刘永强、陈汉玉等 老师在我学习中的热心指导与帮助，您们辛苦了! 感谢马勇、张建、张超、安鹏、刘利平、王立杰等师兄，黄保科、罗玮、 刘伟、杨扬、胡颖智、沈志峰、韩明等同学，欧力郡、罗军、刘井升、陈志方、 朱素伟等师弟师妹在我学习与生活中的帮助。 再次感谢所有在求学过程中给我以指导和帮助的恩师、同学和朋友们! 最后，谨向于百忙中抽出宝贵时间评审本论文的各位专家、学者致谢! 您 们辛苦了! 作者：常耀红 2 0 1 1 年3 月 目录 第一章绪论1 1 1 引言：1 1 2h c c i 的特点4 1 1 3h c c i 燃烧方式国内外研究现状及存在问题3 1 3 1 该课题在国内外的概况3 1 3 2h c c i 燃烧方式目前存在的问题3 1 4 本文研究的主要内容4 第二章发动机建模与c h e m k i n 程序介绍5 2 1 发动机模型介绍与分类5 2 1 1 单区模型5 2 1 2 多区模型5 2 1 3 多维模型5 2 2 软件介绍5 2 2 1 软件运行流程及相关联文件：6 2 2 2 程序的使用和运行6 2 3 程序模型7 2 4 几何模型的建立8 第三章汽油参比燃料在均质压燃内燃机中燃烧特性的模拟研究9 3 1 引言9 3 2 汽油抗暴指数对缸内燃烧的影响9 3 2 1 初始条件的设定9 3 2 2 结果与分析10 3 3 汽油参比燃料在无质量交换多区模型中的燃烧模拟1 6 3 3 1 引言1 6 3 3 2 初始条件1 6 3 3 3 机理1 7 3 3 4 结果分析2 l 3 4 结论2 5 3 5 未来工作展望2 5 第四章c h e m k i n 有质量交换多区模型及气体的交换与传递2 7 4 1 引言2 7 4 2 初始条件的设定2 7 4 3 发动机的建模2 9 4 4 机理2 9 4 5 质量交换与传递的方法及分析一2 9 4 5 1 质量交换与传递的方法2 9 4 5 2 质量交换与传递的分析3 0 4 6 有质量交换的多区模型缸内燃烧情况3 2 4 7 有质量交换多区模型缸内排放分析3 2 4 7 1 引言3 2 4 7 2 排放分析3 3 4 8 总结3 4 第五章c h 4 在均质压燃内燃机中燃烧特性的模拟研究3 5 5 1 引言3 5 5 2 进气温度、压力与压缩比等参数的影响一3 5 5 2 1 初始条件一3 5 5 2 2 不同进气温度的影响3 5 5 2 3 进气压力影响3 7 5 2 4 压缩比的影响3 9 5 2 5 转速的影响一4 0 5 2 6 总结4 2 5 3 氢气添加剂对着火正时的影响4 2 5 3 1 引言4 2 5 3 2 模型和初始条件4 3 5 3 3 结果与讨论4 4 5 3 4 结论4 9 5 4 总结5 0 第六章全文总结与今后工作建议5 1 6 1 全文总结j 5 1 6 2 今后工作建议5 2 参考文献：5 4 插图清单 图2 1 汽缸几何模型图一8 图3 1 二组分汽油参比燃料压力随曲轴转角的变化1 1 图3 2 二组分汽油参比燃料缸内温度随曲轴转角的变化1 1 图3 3 三种不同标号的二组分汽油参比燃料着火情况的比较1 2 图3 4 三组分汽油参比燃料缸内压力随曲轴转角的变化1 3 图3 5 三组分汽油参比燃料缸内温度随曲轴转角的变化13 图3 6 三种不同标号的三组分汽油参比燃料的比较1 3 图3 7 四组分燃料缸内压力随曲轴转角的变化1 4 图3 8 四组分燃料缸内温度随曲轴转角的变化1 4 图3 - 9 三种汽油参比燃料的缸内压力比较图1 5 图3 10 三种汽油参比燃料缸内温度比较图15 图3 1 1 多区、单区模型和实验的缸内压力曲线比较图一2 2 图3 1 23 种多区模型的缸内放热率曲线2 3 图3 1 3 多区和单区模型温度曲线对比2 3 图3 1 4 多区模型各区温度曲线对比一2 4 图3 15 多区模型各区体积变化曲线对比一2 4 图3 1 6 多区模型各区排放对比2 5 图4 12 区与3 区之间的质量交换与传递图3 1 图4 21 区与2 区之间的质量交换与传递图31 图4 31 、2 、3 区的质量交换与传递变化图3l 图4 4 有质量交换模型九区温度变化图3 2 图4 5 有质量交换模型的九区排放图3 3 图4 6 有质量交换、无质量交换模型的排放与实验数据的对比图3 3 图5 1 不同初始温度时的温度曲线3 6 图5 2 不同初始温度时的压力曲线3 6 图5 3 不同初始温度时的放热率曲线3 6 图5 4 不同初始温度时的n o 曲线3 7 图5 5 不同初始压力时的温度曲线3 7 图5 6 不同初始压力时的压力曲线3 8 图5 7 不同初始压力时的放热率曲线3 8 图5 8 不同初始压力时的n o 曲线3 8 图5 - 9 不同压缩比时的温度曲线3 9 图5 1 0 不同压缩比时的压力曲线3 9 图5 1 1 不同压缩比时的放热率曲线4 0 图5 1 2 不同压缩比时的n o 曲线4 0 图5 1 3 不同转速下的温度曲线一4 l 图5 1 4 不同转速下的压力曲线4 1 图5 1 5 不同转速下的放热率曲线4 1 图5 1 6 不同转速下的n o 曲线：4 2 图5 1 7 缸内热释放率、温度和压力随氢气摩尔分数变化的关系4 5 图5 1 8 氢气对主要排放物的影响4 6 图5 1 9 气体与废气在九个区中的分布情况4 7 图5 2 0 不同摩尔分数下各区的温度变化情况4 8 图5 2 1e g r 对着火时刻的影响4 9 图表清单 表1 1h c c i 燃烧方式与c i s i 的比较2 表3 1 单区模型初始条件1 0 表3 2 发动机基本参数1 0 表3 3 二组分汽油参比燃料成分1 1 表3 4 抗暴指数不同的三组分汽油参比燃料成分1 2 表3 5 四组分汽油参比燃料成分1 4 表3 6 多区模型发动机的主要结构参数15 表3 7 多区模型例子和单区模型的初始条件1 7 表5 1 单区模型初始条件的设定3 5 表5 2 研究添加剂影响的发动机规格4 3 表5 3 研究添加剂影响的初始条件一4 4 第一章绪论 1 1 引言 随着世界工业的快速发展，全球汽车行业也正进入一个迅猛发展时期，据 统计，内燃机作为汽车的重要动力装置，其所发出的总功率占全世界所有动力 装置总功率的一半以上，约占动力运输总功率的9 0 f l j ；其在工业、农业、交 通等领域扮演着越来越重要的角色，对社会发展和人们生活水平的提高起到了 积极作用。随着汽车数量和品种的不断增加，汽车尾气约占工业废气的5 0 i 引， 这些给社会带来一系列的能源与环境问题；目前，节能减排、保护环境已迫在 眉睫，对于发动机来说，提高其燃油利用率、降低排放是重中之重。为此，当 今研究工作者把提高内燃机的经济性、动力性和减少排放污染作为内燃机研究 领域的主要研究课题。 对于内燃机的研究，研究方法也在不断发展：近十年来，研究工作者主要 从理论和实验两个方面对发动机的改进工作进行研究，已达到经济性、动力性 和减少排放污染的目标；随着国际上越来越严格排放法规的出台实施，市场上 急待开发出极具竞争力的发动机，研究设计工作者发现，传统的工作经验及实 验方法已很难满足具有市场竞争力发动机的研究设计标准，同时发动机缸内燃 烧过程涉及到极具短暂的燃油雾化、蒸发、混合、流动以及燃烧等物理过程， 所以需要运用数值模拟模型对其进行研究。 为达到节能减排的标准，在对内燃机研究设计进行改善的同时，研究工作 者也对内燃机的燃烧过程进行了科学的研究，以达到高效率清洁燃烧。而传统 的燃烧技术已难以满足这一要求【3 】，因此这首先需要运用新的燃烧技术来探究 汽车排放物h c 、n o x 、p m 等生成机理。 均质充量压缩燃烧( 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 ) 作 为一种新型的燃烧方式于2 0 世纪末正式出台，此燃烧方式在节能减排方面表现 出的积极性广受社会关注。 1 2h c c i 的特点 作为一种新型的燃烧方式，h c c i 燃烧( 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 ) 技术不同于以往传统的燃烧方式，它是利用一种( 或多种) 均匀混合的燃料 气体混合物进行燃烧的。燃烧过程是由通常易自燃的稀混合燃料启动的。它的 主要的特点是燃烧主要由化学反应动力学控制，在整个燃烧室内进行同步压缩 点燃，实现较低缸内压力和温度下的快速燃烧，达到高效清洁目的。 h c c i 燃烧方式作为一种新型的燃烧方式，其结合了传统火花点火和压燃 的优点。具体比较如下图表所示： 表1 1h c c i 燃烧方式与c i s i 的比较 对比量传统柴油机传统汽油机h c c i 发动机 混合气状态非均质均质均质 着火方式压缩燃烧点燃 压缩燃烧 着火系统 无有无 燃烧方式扩散燃烧为主预混合燃烧多点同时着火，化学动力学控制 燃烧温度 局部高温高温相对低温 稀薄燃烧是 否 是 节气门无有无 扭矩调节方式变质调节变量调节变质调节 压缩比较高较低 较高 压缩终了温度较高较低较高 燃油抗暴指数低高 高且范围宽 泵气损失较低较高较低 火焰有有 无明显火焰前锋面 理论循环 混合加热 等容加热等容加热 热效率高低高 燃油经济型两低高 燃烧起点控制喷油定时着火定时综合控制 燃烧剧烈程度较大较小较大 废气 n o x 高低低 排放p m 高较高低 h c低 高较高 c o低高较高 与传统的火花点火发动机( s i ) 和压燃柴油机( c i ) 相比较，这种燃烧方 式主要有以下优点：( 1 ) 高效率：h c c i 燃烧方式是缸内多点同时着火，燃烧 放热速度快。为了控制h c c i 燃烧放热率，必须稀释新鲜充量。新鲜充量被稀 释的同时，也降低了缸内燃烧温度，反过来降低了发动机闭环热损失，使得 h c c i 发动机的热效率接近柴油机的水平；( 2 ) 低油耗：因为高稀释的缘故， h c c i 发动机可以在节气门全开时工作，降低了换气过程的泵吸损失，改善燃 油经济性。h c c i 汽油机与传统的s i 汽油机相比能降低油耗1 5 2 0 ；( 3 ) 低排放：由于h c c i 模式的均质混合特性，与纯粹的柴油机压燃相比，不存在 浓区扩散燃烧，因而微粒排放接近于零。同时由于h c c i 燃烧过程是低温放热 过程，能显著降低n o x 排放。n o x 排放明显低于分层充量s i 燃烧和c i 燃烧 2 模式，达到了经过三效催化处理后的传统s i 发动机的水平【4 】；( 4 ) h c c i 发动 机采用的燃油抗暴指数允许在一个广阔的范围内变动，具有很好的燃油适应性， 可在很宽的燃料范围内运行；( 5 ) 可以简化发动机的结构、降低成本。由于h c c i 燃烧只与燃料本身的物理化学性质有关，它的着火和燃烧速率只受燃油氧化反 应的化学反应动力学控制，受缸内流场影响很小，同时预混的均质混合气的组 织也比较简单，因此，在发动机上实施h c c i 燃烧模式，可以简化发动机的燃 烧系统和喷油系统的结构设计，可以降低研发和使用成本。 虽然h c c i 燃烧在降低油耗和污染物排放方面具有巨大的潜力，但由于 h c c i 燃烧本身的特点，它也面临着巨大的挑战，这些挑战包括：( 1 ) h c c i 着 火时刻控制。对h c c i 发动机来说，缺少直接的手段来控制着火时刻是h c c i 发 动机面临的一个严重问题；( 2 ) h c c i 燃烧过程的控制。一般认为h c c i 的完 全燃烧主要由化学动力学控制，没有一般燃烧中的流动，局部仍然存在不均匀 物质，从而有局部波动现象。由此可见，h c c i 的燃烧速率较快，燃烧始点和放 热率对压缩过程中充量的温度、压力等因素很敏感，控制比较困难：( 3 ) h c c i 运行工况范围拓展。高转速下，h c c i 燃烧由于受换气过程短，、进气充量少的 限制，负荷下降，燃烧温度降低以至于残余废气能量不足以维持下一个循环混 合气自燃的着火条件而导致失火1 5 j 。这些问题都将限制h c c i 运行工况范围的 拓展。 1 3i - i c c i 国内外研究现状及存在问题 1 3 1 该课题在国内外的概况 18 8 2 年英国人d c l e r k 用空气标准循环分析法比较了各种内燃机的热效 率，成为首个内燃机工作过程模拟研究的工作者；其后德国人r d i e s e l 提出了 一系列具有不同燃烧方式的内燃机循环模型，如等压燃烧、等温燃烧等；随着 计算机科学技术的发展，2 0 世纪6 0 年代出现了电子计算机的内燃机循环模拟 研究工作，用来预测发动机的动力性和燃油经济性；以后在内燃机模型的研究 中逐渐出现了放热率计算、零维模型、准维模型和多维模型。随着经济的发展 和社会的需要，节能减排工作日益重要，研究人员对h c c i 燃烧特点的研究更 加活跃起来。国外起步较早，技术相对先进。 国内对此类研究起步较晚，但我国科学工作者为之而不懈努力。步入2 0 世纪9 0 年代，有些高校( 如天大、清华、上交等) 和研究所通过实验和数值模 拟方法进行了相应的研究，试图通过研究甲烷、正庚烷、异辛烷、甲苯、二异 丁烯等基础燃料了解h c c i 燃烧的特点；研究空燃比、压缩比、转速、缸内初 始压力、温度及温度分布对h c c i 燃烧的影响；建立详细的化学动力学模型， 用c h e m k i n 、k i v a 、f l u e n t 等软件，利用单区、多区模型来预测h c c i 燃 烧过程与排放。 3 1 3 2h c c i 燃烧方式目前存在的问题 虽然h c c i 燃烧已经得到了很大的发展，但由于其本身的特点和技术问题， 目前尚未解决的问题很多，具体有如下几点： 1 、随发动机转速和负荷的改变控制着火定时及着火时刻的控制； 2 、高负荷运行时燃烧速率的控制( 使放热率放慢，限制噪声或过高燃烧压 力) ； 3 、排放( 特别是低负荷工况下h c 和c o 排放) 控制系统的发展； 4 、发动机变工况运行； 、5 、发动机控制策略和系统( 闭环反馈系统) 的发展以及相应传感器的研制； 6 、新能源( 包括混合燃料) 的开发，能源燃料的反应机理与热力学数据的 探究： 7 、多缸机各缸均匀性的保证； 8 、h c c i 的燃烧模拟。 围绕着上述问题，内燃机研究工作者进行了不懈的努力。 1 4 本文研究的主要内容 本文主要研究h c c i 的缸内燃烧问题，通过对进气温度、压力、压缩比、 转速、添加剂以及e g r 等多个影响h c c i 的因素进行模拟分析、比较，运用单 区、多区模型和c h e m k i n 求解器研究多种( 混合) 汽油参比燃料反应机理， 比较由燃料化学动力学反应引起的h c c i 燃烧和排放规律。 1 ，首先根据缸内燃料h c c i 自身的特点与能量守恒、质量守恒定律建立 h c c i 燃烧模型，结合热力学定律写出能量方程。 2 、在相同的发动机参数和初始条件下，使用单区模型，研究正庚烷与异辛 烷基础燃料( p r f ) 的二组分燃料；正庚烷、异辛烷和甲苯( t r f ) 三组燃料的 燃烧；正庚烷、异辛烷、甲苯和二异丁烯( d i b ) 四组分燃料，分析这三种汽 油参比燃料在h c c i 发动机中的燃烧特性。利用多区模型研究了均质压燃状态 下汽油参比燃料的燃烧特性，并将部分结果与单区模型和实验值对比。 3 、在h c c i 发动机中，燃烧主要由化学反应动力学控制，燃料的反应机理 对燃烧起着关键作用，分别对正庚烷、异辛烷与甲苯的氧化过程及c 0 2 与h 2 0 的生成进行分析，以了解反应过程中的基元反应与影响因素。 4 、使用有质量交换的多区模型，把各区之间的质量交换等物理现象考虑进 去，提高了模型的预测能力，研究各区之间的质量交换与传递情况，分析有质 量交换的模型的燃烧特性与排放生成机理，并与无质量交换模拟结果和实验数 据作了比较。 5 、研究了天然气h c c i 燃烧，分析了进气压力、温度、压缩比及转速对缸 内燃烧过程的影响，以及h 2 添加剂、e g r 对天然气h c c i 燃烧过程的影响。 4 第二章发动机建模与c h e m k i n 程序介绍 2 1 发动机模型介绍与分类 发动机燃烧模型是指描述发动机工作过程中缸内流动工质、传热和流体力 学与热力学性质的一组物理和化学的数学方程式。回顾h c c i 发动机的燃烧模 型的发展历程，基本可以分成单区模型、多区模型与多维模型。 2 1 1 单区模型 单区模型又可称为零维模型，它是通过分析h c c i 发动机缸内燃烧过程得出 来的数据，获得所需要的一些燃烧过程的公式，进而得到发动机燃烧的一些特 点；单区模型假定整个气缸的温度、压力处于均匀状态，并且单区模型没有把 缸内的温度与燃料的组分等物理属性考虑进去1 6 】，因此对于预测燃烧特性以及 n o 、h c 和p m 等排放物存在很大局限性。 2 1 2 多区模型 为了把缸内物理属性考虑进去，基于单区模型的基础上发展了一种多区模 型来计算缸内的异质性，在某种意义上多区模型也可称为准维模型。多区模型 的燃烧室可以划分为有限数量的区，每区有不同的初始温度和燃料组成，类似 于真实发动机内的异质性，如间隙容积里不同的温度和气体组成，薄淬熄层和 核心区。每一区假定为质量固定，区间的相互作用仅有体积功。每一区的燃烧 过程计算分析方法和单区模型的解决方法相同。多区模型没有单区模型缸内温 度的陡升和急转的缺点【6 】，能更好地反映缸内真实燃烧过程。并且多区模型缸 内温度分布区间越广，则燃烧越提前，燃烧持续期越长。同时它也能较好地预 测排放物的生成规律。多区模型是目前较适用的模型之一1 3 ，7 ，引。 2 1 3 多维模型 与零维和准维模型相比，多维模型在性质上有很大的不同，它把缸内燃烧 过程的物理二维或三维空间分布考虑了进去i 钆1 0 】，利用数值方法来求解燃烧过 程的质量、动量、能量和化学组分的守恒方程。一个完整的内燃机燃烧多维模 型的建立，离不开诸如化学反应动力学和数值分析等知识与方法作为数学模拟 基础，更需要依靠高运算速度的大容量电子计算机。其计算结果可以包括发动 机缸内燃烧过程中的温度、压力、成分和气流速度以及排放物等在燃烧过程中 任意时刻分布的详细信息【l 卜1 3 】。目前，多维模型功能较为强大，在模型中算是 技术很先进的。 2 2 软件介绍 c h e m k i n 是一个软件包，用于处理初级气相化学动力学问题。它为将复 杂的化学动力学转变成流体动力学计算提供了一个灵活有用的工具。 c h e m k i n 气象组成包括两个主要的软件组，注释程序和气相程序库。注释程 5 序是用来描述化学动力学机理反应，机理包括物质的信息，反应路径和反应速 率。从注释程序的输出文件形成了气相程序库的一个连接，它可以使c h e m k i n 使用中通过，程序库是由1 0 0 多个f o r t r a n 程序模块组成，可以通过呼叫这些模 块来反馈状态方程、物质内能属性以及化学反应产物的生成速率等信息。 c h e m k i n 求解器可以用来求解涉及初级气体化学动力学的问题。在研究一个 封闭系统时( 如气缸) ，用户结合热力学定律写出自己的能量守恒方程，方程 中的变量可以从c h e m k i n 求解器中得到，通过解常微分方程的一般方法求解 能量方程。 2 2 1 软件运行流程及相关联文件 软件流程和相关联的文件总结如下： 1 1 键入f 9 0 - - oe x e l 0 3 c k i n t e r p f 系统输入命令编译c h e m k i n 注释程 序( c k i n t e r p d 。将编译c h e m k i n 注释源代码并在同一文件夹中生成可执行文 件e x e l 。 2 ) 键入 e x e l 命令运行e x e l 。读取机理( f o r t 1 5 ) 和热力学数据库( t h e r m d a t ) 两文件中的信息。执行后，将产生两个输出文件。一个打印输出文件f t n l6 和 一个二进制c h e m k i n 链接文件c k l i n k 。 3 ) 键入“f 9 0 0e x e 2 0 3m a i n f z o n e f g a u s s f c k l i b f l i n k f 来编译用户编写 的程序( m a i n f ，z o n e f 。，g a u s s f ) 和c k l i b f l i n k f ，控制方程将利用o d e 解 法求解。通过c k l i b f ( c h e m k i n 程序库里的文件) ，用户定义的程序可以调 用所有c h e m k i n 子程序。o d e 解法本身在l i n k f 中，编译后，在同一文件 夹中生成一个可执行的e x e 2 。 4 ) 用户需要使用i n p u t 输入文件，来定义发动机的几何参数、运转条件、 初始条件和定义不同的区。 5 ) 输入命令e x e 2 运行e x e 2 。将会读取i n p u t 文件，模拟从i v c 开始 到e v o 结束，并实时输出。 6 ) 模拟结束后，在同一个文件夹中会生成一些输出文件。这些是： r e s u l t o u t ， i n f o o u t ，z o n e l m a s s o u t ，z o n e 2 m a s s o u t ，z o n e a v e m a s s o u t 。 2 2 2 程序的使用和运行 运行c h e m k i n 程序需要主程序m a i n f 文件，反应物及反应方程文件 f o r t 1 5 ，热力学数据文件t h e r m d a t ，初始条件文件i n p u t ，编译文件c k i n t e r p f ，库 函数文件c k l i b f 和链接文件l i n k f 。多区模型还要加入z o n e f 和g a u s s f 文件。 改变机理主要是改变f o r t 1 5 和t h e r m d a t 文件。编译主程序m a i n f 得到可执行程 序e x e l e x e 和e x e 2 e x e ，分别执行e x e l e x e 和e x e 2 e x e 即得模拟结果。将模拟 结果改为d a t 格式，然后导入o r i g i n 软件中可绘出图形。 6 2 3 程序模型 c h e m k i n 求解器可以用来求解涉及初级气体化学动力学的问题。在研究 一个封闭系统时( 如气缸) ，用户结合热力学定律写出自己的能量守恒方程， 方程中的变量可以从c h e m k i n 求解器中得到，通过解常微分方程的一般方法 求解能量方程。 本文中的模拟研究，采用了两种模型。( 1 ) 单区模型：将整个气缸视为完 全均一且消除了气体的温度和工质组分组成的空间异质性。( 2 ) 多区模型：不 同于单区模型的是，多区模型是人为根据不同的初始温度和压力将气缸分为有 限个区单元。每个区间的质量一定。各区间的相互作用只有通过体积做功才能 得到。多区模型能够得到更切合实际的结果，所以更受到人们的青睐。例如， e a s l e y 等人将气缸分为典型的4 个区( 分别为内核心区，外核心区