（热能工程专业论文）添加剂（dtbp）改善均质充量压燃（hcci）着火的数值模拟与试验研究.pdf

摘要 摘要 h c c i 由于具有较高热效率、低n o x 和p m 排放等优点受到人们的关 注，但是如何控制着火时刻，拓宽运行工况范围仍是目前的难点。 本文首先在一台经过改造的四缸柴油机的第四缸进行h c c i 燃烧特性 和添加剂对h c c i 发动机着火影响的试验研究。结果表明：在h c c i 发动 机燃烧稳定工况下，没有添加剂的基础燃料p r f 9 0 ( 9 0 异辛烷与1 0 正 庚烷安体积比混合，) 着火滞后，燃烧放热率峰值低。在燃料中加入添加剂 d t b p 可以改善h c c i 燃烧，使得燃烧提前，放热率峰值增大。 为了进一步分析h c c i 燃烧过程，本文随后利用c h e m k i n 软件结合 p r f 和d t b p 详细的化学反应动力学机理，应用h c c i 单区燃烧模型对添 加剂过氧化二叔丁基( d t b p ) 改善h c c i 着火的能力进行了数值模拟。结 果表明：混有添加剂( d t b p ) 的基础燃料能够有效地改善h c c i 着火，随 着d t b p 质量分数的增加，着火明显提前，但过多的添加剂不利于发动机 正常工作。 同时燃烧过程具有两阶段放热特性，由低温反应和高温反应组成。碳氢燃料 脱氢产物的两次加氧反应是低温反应发生的关键，h 2 0 2 是低温反应阶段重要产 物，其分解是控制高温阶段的重要基元反应，也是o h 的主要来源。d t b p 能够 在低温下快速分解，生成c h 3 与氧气反应生成o h 进而导致燃料的快速消耗， 说明c h 3 自由基对促进低负荷着火起着关键的作用。 随着发动机转速提高，添加剂质量分数应增加，以避免失火。发动机 运行参数对h c c i 燃烧起到显著影响，提高进气温度、进气压力和压缩比， 着火提前，提高发动机转速导致着火滞后。因此h c c i 受到转速的限制更适 于低速工况。 关键词均质充量压燃；燃料添加剂；化学反应动力学；试验；数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c 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 dh a sb e e na t t r a c t i n gg r o w i n g a t t e n t i o nd u et oi t sh i g he f f i c i e n c ya n dl o wn o xa n d p a r t i c u l a t e se m i s s i o n s h o w e v e r , i t i sv e r yd i f f i c u l tt oc o n t r o lt h ei g n i t i o nt i m i n ga n de x t e n dt h eo p e r a t i o nr a n g eo fh c c i e n g i n e f i r s t ，t h eh c c ic o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ei n f l u e n c eo fa d d i t i v e so nt h e h c c le n g i n ei g n i t i o nw e r er e s e a r c h e do na4 - c y l i n d e rd i e s e l e n g i n e o n eo ft h e c y l i n d e r sw a sm o d i f i e df u rh c c ic o m b u s t i o nw i t ha d d i t i v e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tu n d e rt h es t e a d yo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h ei g n i t i o nt i m i n go ft h eb a s ef u e l ( p r f 9 0 - v 0 1 9 0 i s o o c t a n e + lo n - h e p t a n e 、w i t h o u ta d d i t i v e sd e l a y sa n dt h ep e a k v a l u eo ft h eh e a tr e l e a s er a t ei sl o wc o m p a r e dw i t ht h eb a s ef u e lw i t ha d d i t i v e ( d t b p ) w h i c ha d v a n c e si g n i t i o nt i m i n ga n di n c r e a s e st h ep e a ko f t h eh e a tr e l e a s er a t eo b v i o u s l y f u r t h e r m o r e ，t os t u d yt h eh c c ic o m b u s t i o np r o c e s s ，an u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d y o ne f f e c t i v eo fa d d i t i v e ( d t b p ) o nt h ei g n i t i o nf u rh c c ie n g i n e sw a sp e r f o r m e db y u s i n gs i n g l e z o n em o d e lc o u p l e dw i t had e t a i l e dk i n e t i cm o d e l t h er e s u l t ss h o wt h a t t h eb a s ef u e lw i t l la d d i t i v e sw i l li m p r o v et h eh c c ic o m b u s t i o nr e m a r k a b l y t h e i g n i t i o nt i m i n ga d v a n c e sw i t ht h ei n c r e a s eo fd t b pm a s sf r a c t i o n h o w e v e r ，e x c e s s i v e a d d i t i v ea d d i t i o ni sn o tg o o df u re n g i n e st oo p e r a t en o r m a l l y t h eh c c ic o m b u s t i o np r e s e n t st w o s t a g ec o m b u s t i o np r o c e s s ，i ti sc o n s i s to fl o w t e m p e r a t u r er e a c t i o n ( l t r ) a n dh i g ht e m p e r a t u r er e a c t i o n ( h t r ) t w ot i m e so f0 2 a d d i t i o nr e a c t i o n so f s p e c i e sp r o d u c e db yh - a t o ma b s t r a c t i o nf r o mh y d r o c a r b o nf u e la r e v e r yi m p o r t a n tf u rt h el t rs t a g e t h em a i np r o d u c ti nt h el t rs t a g ei sh 2 0 2 ，a n dt h e h t ri sc o n t r o l l e db yh 2 0 2d e c o m p o s i t i o n ，w h i c hi sa l s ot h em a i ns o u r c eo fo h d t b p i sk n o w nt ou n d e r g or a p i dt h e r m a ld e c o m p o s i t i o na tl o wt e m p e r a t u r e t h ec h 3 ，w h i c h i sd e c o m p o s e db yd t b p , r e a c t sw i t ho x y g e nt op r o d u c eo h ，a n dt h e nt h eo h p r o m o t e s t h ef u e ld e c o m p o s i t i o n t h e r e f o r e ，t h ec h 3 p l a yad o m i n a n tr o l ei nt h el t r i na d d i t i o n ，i no r d e rt oa c h i e v et h eb e s tp e r f o r m a n c ea tl o w e n g i n el o a d ，t h em a s s f r a c t i o no f d t b pa d d i t i v ei np r f 9 0s h o u l db ei n c r e a s e dw i t he n g i n es p e e d m e a n w h i l e ， 1 1 1 北京工业大学工学硕+ 学竹论文 t h eh c c ic o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c sw e r ea l s oq u i t es e n s i t i v et ot h ec h a n g e so fe n g i n e o p e r a t i n gp a r a m e t e r s i n c r e a s i n gi n t a k et e m p e r a t u r e ，i n t a k ep r e s s u r ea n dc o m p r e s s i o n r a t i oc a u s ea d v a n c e di g n i t i o nw h i l er a i s i n ge n g i n es p e e dw i l ld e l a yt h ei g n i t i o n a c c o r d i n g l y , f o rt h el i m i to f e n g i n es p e e d ，i tw i l lb eb e t t e rt oo p e r a t ea tl o ws p e e d k e yw o r d sh c c i ；f u e la d d i t i v e s ；c h e m i c a lk i n e t i c s ；t e s t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的 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。 签名：熊日期：遵：三 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：越导师签名： 第1 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 2 0 世纪7 0 年代以来，内燃机技术取得了飞速发展，能量利用率和有 害排放得到了大幅的改善，但大量的基础研究成果证明，传统火花点燃式 内燃机和压燃式内燃机，分别在热效率和有害排放方面达到了极限，很难 满足目前和将来的市场要求。h c c i ( 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 ) 以其高效清洁的燃烧方式成为内燃机研究的重要方向之一。 与传统的火花点火发动机相比，h c c i 方式采用均匀的空气与燃料混合 气，但是用压燃代替火花塞点火方式；与传统的柴油机相比，h c c i 方式采用 压燃着火，但混合气充量是均质的。试验证明这种燃烧方式具有较高热效 率、低n o x 和p m 排放等优点【l 】。尽管h c c i 燃烧方式具有许多优点，但 目前在实际应用中还存在着一些较难克服的问题： ( 1 ) 适用工况范围窄 h c c i 发动机可以使用多种燃料( 汽油、柴油、天然气、二甲醚、氢气、 乙醇等) ，在一定工况下可以实现稳定运行，得到较好的运行和排放效果，但 燃烧受到失火( 混合气过稀) 和爆燃( 混合气过浓) 的限制，发动机运行范围比 较窄。对于高十六烷值燃料，由于h c c i 发动机燃烧非常迅速，在高负荷工况 下混合气浓度大，燃烧效率极高，压缩自燃时过多的燃料参与燃烧，易发 生爆震；对于高辛烷值的燃料，由于h c c i 燃烧为稀薄燃烧，发动机在小负荷 工况下需要很高的进气温度和缸内压力才能实现压燃，而往往由于实际条 件的限制，无法很好地实现，所以可能导致燃烧不完全甚至熄火。 ( 2 ) 燃烧进程难以控制 由于h c c i 是预混合压燃，不能像汽油机一样由点火时刻控制燃烧始 点，也不能像柴油机一样由喷油时间控制燃烧始点，它没有直接控制燃烧 始点的措施，混合气的自燃受混合物特性、温度时间历程等的影响。 ( 3 ) 冷起动性能 在冷起动时，h c c i 发动机的压缩气体温度将会降低，因为在压缩进气时， 新鲜空气会很快地被冷的燃烧室壁冷却。如果没有温度补偿装置，低温压缩气体 会使得h c c i 发动机着火困难。 ( 4 ) 碳氢化合物和一氧化碳排放 h c c i 具有低氮氧化物和颗粒物排放的特点，但是碳氢化合物( h c ) 和一氧化碳( c o ) 排放高。当发动机在低负荷( 例如怠速) 运行时，尤其是 燃料辛烷值较高时，由于混合气浓度过稀，低温反应产生的热量减少和自 北京工业大学工学硕士学位论文 由基浓度减小，主燃烧反应发生时刻推迟太多，燃烧反应速度过慢，缸内 温度过低，燃烧氧化反应发生和进行困难，混合气燃烧不完全甚至失火， 形成大量的中间产物和未完全燃烧产物，h c 和c o 数量增加。 由于人们意识到h c c i 在提供发动机高效率的同时，可以很好地解决 n o x 和p m 的排放问题，越来越多的研究人员关注着h c c i 的发展【2 击】。近几 年国内外对于h c c i 的研究非常多，如：研究多种液体燃料h c c i 的燃烧特 点；用多区模型预测h c c i 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。 h c c i 燃烧主要受化学反应动力学控制，作为h c c i 研究的重要方法之 一，数值模拟研究方法一直被研究人员所看重。但由于h c c i 燃烧的复杂性 如何更加高效、准确地对其燃烧过程进行数值模拟仍然是个挑战。 1 2 内燃机燃烧模型 内燃机工作过程模拟的数学模型作为一种独立的自成体系的研究工具，并能 与试验研究双峰并峙，是因其综合了内燃机燃烧学与现代计算机的发展成果。现 在h c c i 的计算模型主要分为三大类：零维模型、准维模型和多维模型。 1 2 1 零维模型 零维模型将整个气缸视为均匀场，一般还作绝热假设，即忽略缸壁传热效应。 也有一些研究者采用经验公式考虑壁面散热损失，通常都采用w o s c h n i 公式。由 于h c ci 具有均质分布式燃烧的特点，其采用零维模型的计算结果必然要比一 般柴油机或汽油机的零维计算准确，这也是单区模型得到广泛应用的原因之一。 这种方法的焦点集中在化学动力学及其对自燃和燃烧时刻的影响。n a j t 和f o s t e r 7 】 最早利用这类模型来协助分析h c c i 发动机的实验工作。他们使用s h e l l 点火模 型计算着火点，使用一个经验性的单步a r r h e n i u s 燃烧模型计算燃烧放热率，分 析了压缩比、当量比、转速、e g r 、稀释水平和燃料类型对h c c i 着火与燃烧的 影响。他们指出h c c i 的燃烧过程受反应动力学的控制。 近期研究使用的零维模型主要是经长期研究发展的详细化学动力学模型 s q o l 。a c e v e s 等人【l l 】在三种不同压缩比下，讨论了着火点、燃烧持续期、n o x 排放、燃烧效率、平均有效压力受不同当量比和残余废气量的影响：罗马吉等人 1 2 j 研究了e g r 对二甲醚h c c i 发动机燃烧过程的影响。 由于单区模型完全忽略缸内的流动过程，因此可以集中研究燃烧过程中缸内 化学反应的历程和燃料成分的影响。f l o w e r 等人【l 列讨论了天然气成分的影响， 第l 章绪论 k e l l y - z i o n 等人【1 4 】比较了正庚烷和异辛烷两种不同燃料的着火特性。尧命发等人 1 5 1 研究了二甲基醚和天然气双燃料的h c c i 燃烧特性。 由于通过单区模型可以集中反映化学反应动力学的作用，因此单区模型被用 来进行反应机理相关方面的研究。以单区模型为基础，t a n a k a 等人【1 6 j 验证基础 燃料( p r f s ) 简化反应机理。 通过零维模型可以揭示燃料组分、进气温度与压力、压缩比、空然比、e g r 率等运行参数对燃烧过程的影响。这类模型中的绝大部分不计算动态的燃烧过 程，而是利用理想的充量进行模拟。由于在单区模型中对燃烧室做了过于简化的 处理，其温度均匀性的假设与实际情况不相符合。实际上，燃烧室中存在边界层 和余隙，其中有一定质量的混合气，且温度比燃烧室中心温度低，着火相对要延 迟。如果模型假设整个燃烧室有相同的温度，则所预测的燃烧过程进行得比实际 要快，即燃烧持续期和放热过程就缩短，使得最大压力和压升率偏大。此外， h c 和c o 排放因为与余隙和边界层的燃烧有关，所以单区模型中也不能精确预 测h c 和c o 排放。不过由于着火时刻和n o x 排放主要取决于主流气体的温度， 故通过单区模型能获得较好的预测值。 1 2 2 准维模型 发动机缸内混合气不可能是均匀状态，即使对h c c i 燃烧，一定程度的不均 匀也必然存在。通过对其分区处理来考虑这种不均匀性在现阶段不失为一种较好 选择。w i l l i a ml e a s l c y 等人在模型中将燃烧室容积分成六个区：核心区( 其中 分三个小区) 、核外区、边界层区和余隙区【i7 1 ，如图1 1 所示。其中核心区绝热， 边界层区用广泛应用的w o s c h n i 公式计算与壁面的传热，余隙中混合气温度与壁 面温度相等。核心区质量保持恒定不变，故与其它区无混合，只有功量交换。核 外区、边界层区和余隙区三个区之间有质量的交换，以维持压力一致。 他们利用此模型讨论了h c c i 发动机中n o x 、c o 和h c 排放的来源。发现n o x 排放主要来自于温度最高的核心区，h c 排放主要来自温度较低的缝隙区和边界 层区，而c o 排放主要是在膨胀冲程中由缝隙区和边界层区流出的未燃混和气流 入到温度较高的核心区被部分氧化的结果。 因为准维模型是联系零维模型和多维模型之间的桥梁，f i v e l a n d 和 a 5 s a i 璐【1 8 - 1 9 对其作了详细深入的研究。模拟结果与天然气燃料发动机实验数据吻 合得很好，而且能准确地预测未燃h c 排放。但是由于缺少气缸壁附近区域模型， c o 预测误差较大。 总体而言，通过多区模型可以很好的计算h c c i 发动机的性能和排放，而无 需过多的计算时间。但是在模型的建立、初始条件的确定方面会存在或多或少的 北京工业大学工学硕卜学位论文 人为假设，特别是对缸内直喷系统这种存在很大燃油不均匀度的情况，多区模型 遇到了很大的困难。 1 2 3 多维模型 图1 - 1六区模型分区原理 f i g i - is c h e m a t i cd i a g r a mo f s i xz o n e sm o d e l 尽管多区模型可在一定程度上考虑缸内工质非均匀性的影响，但由于它完全 忽略了气体运动过程，从而无法描述和模拟一系列对燃烧过程起重要作用的机 理。s a l v a d o rm a c e v e s 等提出，先运行c f d 模型，将其运算结果作为化学反应动 力学模型的初始条件再进行计算，这类模型既包括流体流动又包括化学动力学， 这样的计算方法能得到比较准确的结果。 m i y a m o t o - 等j k i 2 0 i 使用i a v a n 程序结合一个四步简化反应机理、湍流混合模 型和z e l d o v i e hn o x 生成机理研究了预混稀薄柴油机( p r e d i c ) 的燃烧和排放， 虽然机理十分简单，但计算结果表明在不同喷油定时，放热率、缸内压力、n 0 x 和未燃燃油排放的预测结果很好，该模型显示t c f d 与反应动力学耦合模型在 h c c i 发动机中发展潜力。 a g a r w a l 等j k 2j 】利用i v a - 3 v 程序计算了缸内直喷天然气发动机的燃烧过 程。计算中使用一个包括2 2 种组分和1 0 4 个反应的机理预测着火点，而在着火之 后，为计入小尺度湍流的影响，使用一个单步反应机理计算燃油向完全燃烧产物 的转换过程，同时加入了扩展的z e l d o v i e h 机理预测n 0 x 排放。 张小宇等人1 2 2 j 采用商用c f d 软件s t a r - c d 研究了一种新型燃烧室设计 b u m p 燃烧室对直喷柴油机喷雾燃烧过程的影响。计算中由s h e l l 模型计算缸 内的自燃过程，分别讨论了b u m p 燃烧室内气体流动的特性、浓度场和温度场的 第1 章绪论 ! i i e ，e ! ! ! ! ! 目! e e e ! 皇! g ! g 自! ! ! ! ! ! ! ! ! g ! ! ! ! ! 目目e 1 5 e ! ! ! ! 目! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 詈! g ! 舅 分布特性以及喷油定时的影响。 王志等人瞄慵三维c f d 软件f i r e 与c h e m k i n 耦合模拟多阶段汽油缸内直 喷过程，c h e m k i n 用来模拟着火、燃烧和排放形成的化学过程，f i r e 用于模拟 汽油喷射、雾化、燃烧和排放形成的过程。 这种模型由于受到计算机的限制，耦合计算需要时间太长，一般只用简化的 化学反应动力学模型，不便于分析燃烧反应的机理。 1 3 化学反应动力学模型 在h c c i 过程中，化学反应动力学起着至关重要的作用，其主要目的是预测 着火点和燃料向燃烧产物的转换速率。因此，h c c i 发动机燃烧模拟的焦点主要 集中在不同燃料的反应机理和化学动力学模型上。化学反应动力学机理可以分为 四种类型：单步机理、通用机理、详细机理和简化机理。其中单步机理和通用机 理属于经验模型。单步机理不包含任何形式的基元反应，试图通过一个或两个方 程来描述所有的化学反应行为，为与实验数据吻合，方程中的系数和反应常数需 要进行一定的调整。通用机理不追踪单独组分，而是将他们分为通用的几类化合 物，如醛、醚和退化分支组分等。简化机理是由详细机理使用一定的假设简化而 来。而详细机理是最为复杂的，该类型机理试图囊括所有化学反应细节，因此通 常由上百种组分和上千个反应组成。 1 3 1 单步机理 单步机理以最为直接的方式来描述碳氢燃料的氧化过程，它表示燃料消耗的 整体速率。w c s t b m o k 和d r y e r 构造了一个碳氢燃料的单步氧化机理： 凡口，+ 啊0 2 专n 2 c 0 2 + 吩h 2 0 ( i - 1 ) 其中n i 由具体的燃料决定，反应速率为： 屯，= a t ”e x p ( - e 。r r ) f u e t 1 0 x i d i z e r r ( 1 - 2 ) 其中a 为指前因子，n 为温度指数，a 和b 为燃料和氧化剂的浓度指数，e a 为 活化能。为了与实验数据一致，反应速率中的参数需要进行适当调整。 l i v e n g o o d 和w u 2 4 】构造了一个计算着火延迟的关系式，假定当某种重要中 间产物的浓度x 达到临界值x c 时即发生自燃。着火准则可以表达为： 器= e 扣= ， c t 刁， 其中t 为着火延迟，t o 为初始时刻，f c 为着火时刻。着火延迟通过下式计算 北京工业大学工学硕十学位论文 f = c p ”e x p ( 一b 7 ) ( 1 - 4 ) 其中c ，n 和b 为经验常数。通过实验获得压力p 和温度t 随时间的变化， 即可对式( 1 3 ) 数值积分，从而求得着火时刻如。利用此方法，l i v e n g o o d 和 w u 成功的预测了s i 发动机中敲缸的时刻。d o u a u d 和e y z a t 2 5 1 对着火延迟关系进 行了修正，进一步将其应用范围扩展到不同辛烷值的燃油以及更大的运行工况范 围中。 在h c c i 燃烧中，自燃着火和燃烧速率都由化学反应动力学决定，单步机理 由于其形式过于简单只能计算着火延迟，或者着火持续期，无法同时模拟这两个 过程。尽管如此，单步模型对于分析实验数据解释实验现象仍有很大帮助。 1 3 2 通用机理 当人们并不需要了解燃烧过程中每一种组分详尽的演变过程，而只关心反应 系统的总体历程和某些主要组分的详情时，通用机理就具有明显优势。 s h e l l 公司的h a l s t e a d 等人【2 6 1 首先提出了该种方法，他们通过使用一个简化的 模型来模拟碳氢燃料的中低温化学反应，该模型被称为s h e l l 模型，迄今被广泛应 用于发动机自燃着火与敲缸过程的模拟研究。它把着火与燃烧过程加以高度简化， 把参与反应的所有成分归并为3 类；第1 类r ，为各种自由基的总和；第2 类q ， 为各种不稳定的中间产物的总和；第3 类b ，为反应过程中能进行链分支的自由 基总和。整个反应过程被归结为一个8 步反应机理： r h + d 鲤_ 2 页链引发( 1 5 ) 页生一i + 燃烧产物和热量 链传播循环 页+ q 页+ 召 i 丝d u t 页生一页+ q 2 页生一d 甜t 链传播形成b 链传播形成b 线性链中断 链传播形成q 二次方链中断 b ! t 斗2 页退化支链( 1 1 2 ) 式中速率常数是根据快速压机实测的滞燃期数据拟合而得出的。 s h e l l 模型以其简单实用而著称，但其对着火过程细节的描述则有所不足。因 固 忉 固 唧 柳 岫 0 0 0 、 m 第1 章绪论 此，c o x 和c o l e 2 7 对其进行了扩展和改进。他们增加了一些基元反应以更适合于 模拟烷烃的低温氧化过程。h u 和k e z ：k 2 8 】在此模型基础上构造了包含1 3 种组分和 1 8 个基元反应的反应机理，考虑了甲基过氧化物的同分异构物，主要增加了 c o x - c o l e 模型中若干反应的逆向反应，并改变了一些反应的常数取值，使模型适 用的温度范围扩大到7 0 0 i3 0 0k 。g r i f f i t h s 等人【2 9 】在上述模型的基础上，结合其 对烷烃自由基化学特性的研究，提出了一个烷烃氧化的统一模型，他们将原来都 归并为一种的自由基r 划分为3 种：r l 、r 2 和r 3 ，分别代表主级、次级和三级基， 所包含的基元反应也相应增加到9 8 个。该模型的“内核”是包含c l 、c 2 和c 3 组分 及r 、0 、h 、o h 和h 2 0 的重要反应。以此为基础，可以进而模拟c 4 c 8 烷烃及 其各种异构物按任意比例混合而成的燃料的氧化动力学过程。 t a n a k a 等人l l q 在h u 和k e c k 模型的基础上，加入了正庚烷和异辛烷相互作用 的反应，着火过程中生成的中间产物裂解为c o 和h 2 0 的反应，以及h 2 并i c o 的氧 化反应。新的机理由3 2 种组分和5 5 个反应构成，适用于正庚烷和异辛烷混合而成 的各种p r f 燃料，可用于预测h c c i 发动机的着火延迟和燃烧速率。 黄豪中和苏万华 3 0 ；左z h e n g 等人【3 l 】机理的基础上，提出了一个包含n o 、生 成机理的正庚烷反应机理，涉及4 4 种组分和7 2 个反应。该机理能够模拟正庚烷 h c c i 燃烧的冷焰和热焰反应，以及n o x 生成的整个过程，与详细机理的计算结 果完全吻合。 王志等人【3 2 】以高辛烷汽油燃料为对象，构建了一个异辛烷氧化的通用机理， 包括8 9 种组分和4 1 3 个反应。该机理能重现长链烷烃氧化的负温度系数、二阶段 着火和稀燃气氛中n o x 生成的特征。 1 3 3 详细机理 尽管通用机理在预测发动机着火方面取得了不同程度的成功，但这些模型依 然是在经验的基础上建立起来的。为了更好的描述所有运行范围内自燃着火和燃 烧特性，确定关键反应途径，则需要详细化学动力学机理。它不仅是研究h c ci 这类复杂着火与燃烧现象不可或缺的前提，同时还为构造简化动力学模型提供了 一个基础和起点。 研究表明：除甲烷外，所有的碳氢燃料氧化都经历一个共同的反应途径：大 燃油分子首先逐渐分解为碳原子数较少的组分，进而这些组分被氧化为甲醛 ( c h 2 0 ) 、甲酸基( c h 0 ) ，并进一步生成c o ，最后为c o 和h 2 的氧化反应。因 此碳氢燃料机理的构造都是基于分级方法p 引，即通过从小的燃油分子的反应机理 开始，逐渐加入大分子燃料的反应机理，从而构造整个高碳烃的反应过程。实际 上高碳原子数燃料如丁烷( b u t a n e ) 和己烷( h e x a n e ) 的反应机理都是在已经发 北京工业大学一r 学硕十学位论文 展比较成熟的甲烷的反应机理上发展起来的。 由于h 2 0 2 ，c o 0 2 ，c 1 - 1 4 空气反应系统的氧化机理比较简单，多年来已经 被广泛研究，目前这些燃料的反应机理已经较为成熟。向这些反应机理中加入碳 原子数目大的燃料时，只需要加入燃料分子与氧气和基的相关反应，以及原反应 机理中缺少的关于高碳烷基的反应。然后，需要确定新加入的反应的反应速率， 和组分的热化学及输运属性，这些数据大部分都没有经过相关的实验研究。通过 理论方法可以计算反应路径和反应速率【3 4 j 但是这需要超级计算机以求解复杂的 量子力学系统。另外还可以通过估算的方法来计算这些无法通过实验获得的反应 速率和热化学数据。当整个反应机理基本构造完成后，需要进一步与实验数据比 较，对机理进行核对和验证。通过与实验数据进行对比，需要对反应机理中化学 和动力学常数进行调整，以提高机理的准确性。由于详细机理中组分和机理数目 较多，可以通过敏感度分析来发现对计算结果影响较大的反应，以便进行局部调 整。 详细机理的建立不仅有赖于大量详实可靠的实验数据，还需要长期、细致的 理论分析和计算。近些年来，随着计算机计算能力的迅速增长，高碳烃的详细机 理研究取得了一系列可喜的成果。迄今，高达c 8 的烷烃的详细燃烧机理均已构 建成功，对实际燃料如柴油和汽油成分的燃烧机理研究也取得了一定进展。现有 模型所适用的温度范围已拓宽至u 6 0 0 2 6 0 0k 。值得一提的是，l a w r e n c e l i v e r m o r e 实验室新近提出了正庚烷和异辛烷氧化燃烧的详细模型【3 5 3 引。前者包 含5 5 0 种组分和2 4 5 0 个基元反应，后者则包含8 6 0 种组分和3 6 0 0 个反应。这些反应 按化学特征分为2 5 种类型，并可相对独立地描述燃料的高温和低温氧化机理，从 而真实地描述冷焰、nt c 和两阶段着火等现象。 由于h c c i 发动机的发展，进一步促进了对实际燃料反应机理的研究。o g i n k 和g o l o v i t c h e v 3 7 1 ，n a k a n o 等人【3 8 坡用正庚烷、异辛烷和甲苯混合物表示汽油反应 机理。而n a i k 等人【3 9 】在上述三种组分的基础上又加入了甲基环己烷、1 一戊烯， 其汽油替代物的详细机理包括1 2 1 4 种组分和5 4 0 1 个反应现今，人们已经可以依 据长期积累的对简单燃料反应机理的研究成果，再制定若干组分构成和反应进行 路径的基本规则，并给定相关的热化学和反应动力学数据和必要的算法，从而得 到以计算软件形式出现的“反应发生器”。目前见诸报道的这类软件系统主要有 e x g a s l 4 0 l 、m a m o x 4 1 l 、n e t g e n 4 2 】和c o m g e n t 4 3 】等。 1 3 4 简化机理 详细模型在真实性和可靠性方面优势突出，但其过于复杂，计算量太。在当 前的计算机资源条件下，一般只能应用于零维或准维模型。对于基于c f d 的多维 s - 第l 苹绪论 模型而言，与其相耦合的燃烧计算目前还只能求助于简化的动力学模型。目前， 对详细机理主要的简化方法有敏感度分析、准稳态近似法( q s s a ) 、计算奇异摄 动法( c s p ) 、固有低维流形法( i l d m ) 和反应速率控制的约束平衡法( r c c e ) 等。 a c 洽v e s 等人【删通过一个基于敏感度分析的程序，将包含8 5 9 种组分和3 6 0 6 个反应 的详细机理简化为1 9 9 种组分和3 8 3 个反应，p a t e l 等人1 4 5 j 使用类似的方法对正庚烷 机理进行了简化，并将其应用于h c c i 发动机的多维计算中。梁霞和尧命发1 4 6 1 通 过对二甲基醚( d m e ) h c c i 燃烧反应途径和敏感性分析，建立了二甲基醚的简化 动力学模型。 应当指出，简化机理是依赖于具体的反应系统，一个机理简化的程度越大， 它的应用范围就越有限，人们通过敏感性分析来挑选重要物质，但是这种方法会 不可避免地去除掉一些在别的应用范围非常重要的物质。 1 4 本课题来源及主要工作 本课题源于国家重点基础研究发展计划“新一代内燃机燃烧理论和石油 燃料替代途径的基础研究”项目( 2 0 0 1 c b 2 0 9 2 0 1 ) 中的予课题，即“稀薄均质混 合气压燃着火和燃烧反应速度的基础研究”。本课题主要由天津大学和北京工业 大学合作研究，项目总历时5 年。 本课题也同时得到了国家自然科学基金资助项目( 5 0 5 2 2 2 0 2 ) 和清洁汽车产 业化关键技术研究与示范国家科技攻关项目( 2 0 0 5 b a 4 1 3 8 0 6 ) 的资助。 目前h c c i 尽管具有高效、低n o x 和p m 排放的优点，但在实际应用上还 存在着较大的问题，如运行工况范围狭窄，燃烧过程难以控制。由于h c c i 着火 与燃烧主要受混合气的化学反应动力学和燃烧边界条件所控制，因此可通过可变 压缩比【4 刀、可变气门正时【4 引、进气预热【4 9 1 、燃料添加剂1 5 0 - 5 q 等方法来改善h c c i 发动机的着火并拓宽其工况范围，然而可变压缩比、可变气门正时等技术目前尚 不成熟且价格较贵，短期内难以推广使用，而进气预热时间较长，难以满足车辆 瞬态控制的实际要求。燃料添加剂的使用为h c c i 的研究带来了一条新的可行途 径。 详细化学动力学的优点是可以研究燃料之间的相互作用和添加剂对着火时 刻的影响。有许多研究者应用详细动力学模型研究了着火促进剂如二甲基醚 5 2 - 5 3 1 、二甲氧基甲烷 5 4 1 和二叔丁基过氧化物等添加剂对柴油燃料着火延迟的 影响，但燃料添加剂对着火影响的机理还没有统一的认识。有证据表明添加剂能 够在较低温度下分解产生的活性自由基能使h c c i 燃烧反应在较低温度下进行， 进而改善h c c i 发动机的着火性能。 研究表明【1 6 5 6 1 ，碳氢燃料的低温氧化反应动力学对燃料的着火时刻有非常 北京工业大学工学硕十学位论文 重要的影响，故本文将尝试通过燃料添加剂的手段，寻求控制改善h c c i 着火过 程及燃烧反应速率的途径，主要工作如下： ( 1 ) 在发动机上进行h c c i 燃烧特性试验研究，为模拟计算验证机理可靠性奠 定基础，同时也为添加剂的优化，化学动力学反应机理的探讨，研究边界 条件对燃烧的影响起到指导作用。 ( 2 ) 添加过氧化二叔丁基( d t b p ) 的高辛烷值燃料( p r f 9 0 v 0 1 9 0 i s o o c t a n c + l o n h e p t a n e ) 的化学反应动力学研究，对燃烧过程中各阶段产生的关键 中间产物进行分析，探讨添加剂改善低温着火的化学机理。 ( 3 ) 利用基础燃料( p r f 9 0 ) 和添加剂d t b p 的详细化学反应动力学机理以及 h c c i 单区燃烧模型，在对模型进行实验验证的基础上，通过数值模拟，优 化出不同工况下的添加剂的剂量。 ( 4 ) 研究燃烧边界条件对混有添加剂燃料h c c i 燃烧的影响，为改善h c c i 燃 烧，拓宽运行工况范围提供理论依据。 第2 章实验装置及系统 第2 章试验装置及系统 2 1 发动机原机结构改造 为了实现燃烧前燃油和新鲜空气的均匀预混合以及满足h c c i 试验测控系 统的特殊要求，在发动机原机上的相关结构进行了改造。试验用原机为南京依维 柯车用的s o f i m 8 1 4 0 4 7 直列四缸涡轮增压直喷柴油机。排气量2 4 9 9 m l ，缸径 9 3 m m ，行程9 2 r a m ，压缩比18 5 ：1 。最大功率8 5 k w ( 3 8 0 0 r m i n ) ，最大扭矩2 4 5 n m ( 1 9 0 0 r r a i n ) ，喷油器启喷压力( 2 4 + 0 8 ) m p a 。该发动机的高压缩比，有助于更好 地实现压缩燃烧。本试验只对原发动机的第四缸进行了相应的改造，使其为h c c i 工作模式，其他三缸仍然保持原有的柴油机工作方式。发动机的改造主要包括： 进气歧管改造及加装喷油器、气缸盖改造及加装缸压测量传感器。 原机第四缸进气歧管及气缸盖改造，见图2 - 1 。 图2 1 第四缸进气歧管及气缸盖改造简图 1 燃烧室2 压力传感器3 喷油器4 进气歧管5 进气门6 活塞 f i g 2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo f m o d i f i c a t i o no nt h em a n i f o l da n dc y l i n d e rh e a do f f o u r t hc y l i n d e r i c o m b u s t i o nc h a m b e r 2 p r e s s u r es e l l s o r 3 i n j e c t o r 4 i n t a k e m a n i f o l d5 i n l e t v a l v e 6 p i s t o n 根据h c c i 燃烧的要求，进气支管的改造直接关系到燃油是否与新鲜空气混 合均匀，均质的混和气直接关系到缸内燃烧的好坏。本试验采用在进气支管接近 气门处焊接铝制凸台的方法，以便安装喷油器( 即采用类似多点电喷的喷油器安 装位置和方法) 。参考汽油机喷嘴的安装位置和方法，根据实地反复测量，尽量 减少人为误差，力求做到燃料和进气混合均匀。 北京工业大学 二学硕十学位论文 图2 - 2 进气支管改造和喷油器的安装 f i g 2 - 2 m o d i f i c a t i o no f i n t a k em a n i f o l da n di n s t a l l a t i o no f i n j e c t o r 为了采集缸内燃烧压力，根据现有试验条件和要求，本试验采用瑞士k i s t l e r 公司的6 1 1 7 a 型火花塞式缸压传感器，通过它可以实时采集气缸压力数据。传 感器的测量范围为0 2 0 m p a ，足以满足试验的需要。 对于传感器的安装，经过课题组的多次讨论，决定拆除原有柴油机的第四缸 喷油器，将出油的一端接一根耐油软管引入备用油箱，这样既可以保证其他三缸 的正常柴油机运转，回收第四缸不用的柴油，也不影响第四缸的h c c i 燃烧试验。 并且在原有的位置上安装火花塞式传感器，见图2 - 3 。 图2 - 3气缸盖改造及缸压测量传感器的安装 f i g 2 - 3 m o d i f i c a t i o no f c y l i n d e rh e a da n di n s t a l l m i o no f p r e s s u r es e n s o r 第2 章实验装置及系统 2 2h c c i 试验系统搭建 完成对发动机的局部改造后，根据h c c i 研究的需要，搭建试验系统。其中 主要由喷油系统、数据采集系统、发动机测控系统、尾气检测分析系统和冷起动 点火系统组成。在试验过程中，系统采集第四缸h c c i 的燃烧压力和对应的曲轴 转角信号，从而获得示功图、通过气缸压力计算出压力升高率、缸内燃烧温度和 燃烧放热率等。h c c i 试验系统，见图2 - 4 。 图2