（动力机械及工程专业论文）正庚烷均质压燃燃烧反应动力学数值模拟研究.pdf

天津大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 均质充量压燃( h c c l ) 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 i 燃烧技术已经引起了国内外学术界和工业界的高 度关注，控制h c c i 的着火过程，拓宽h c c i 运行工况范围是发动机实现h c c i 燃烧模式的重点和难点。 本文以正庚烷为燃料，首先在单缸实验发动机进行了正庚烷h c c 燃烧特性 实验研究，结果表明：正庚烷燃烧具有明显的双阶段燃烧特点，随着混合气浓度 减小，缸内压力和缸内平均温度都随之降低，第二阶段着火时刻明显后移。 本文利用c h e m k i n 软件对正庚烷均质压燃燃烧反应的化学反应动力学过 程进行了数值模拟研究，结果表明：正庚烷的燃烧过程由高温反应和低温反应两 个阶段组成，高温反应阶段可分为蓝焰反应和热焰反应两个阶段。正庚烷氧化反 应首先经过脱氢反应，第一次加氧异构化后的第二次加氧是低温反应的必经途 径，其产物的两次分解是低温反应阶段o h 自由基的主要来源；蓝焰反应阶段主 要是甲醛氧化成c o 的过程，h 2 0 2 的热分解是控制该阶段反应最重要的基元反 应，也是o h 自由基的主要来源；热焰反应主要是c o 氧化成c 0 2 的过程，c o 生成途径是：低温反应生成的甲醛( c h 2 0 ) 脱氢生成h c o ，h c o 氧化生成c o ， o h 是c o 氧化为c 0 2 和正庚烷脱氢反应最重要的自由基。初始温度和燃料浓度 的改变都可以产生三种不同的燃烧过程，即发生完全燃烧反应、发生低温反应和 蓝焰反应和仅发生低温反应。不发生热焰反应的关键是反应8h + 0 2 = o + o h 进 行程度浅，不能生成足够的o h 自由基使c o 氧化成c 0 2 ；蓝焰反应也不发生而 仅发生低温反应的关键是h 2 0 2 分解反应的进行程度浅，h 2 0 2 只有在缸内温度达 到1 0 0 0 k 时才能快速分解，这就不能生成足够的o h 自由基使甲醛不能转化成 c o 。 此外，作者在上述研究的基础上，通过对正庚烷均质压燃燃烧反应途径分析 和敏感性分析，构建了一个新的内燃机边界条件下包括4 1 个基元反应和3 5 种物 质的正庚烷均质压燃简化动力学模型。对简化动力学进行有效性分析，结果表明： 本文所提出的简化动力学模型在着火时刻、缸内温度和压力的计算结果与详细动 力学模型基本一致，计算的正庚烷h c c i 燃烧部分燃烧的边界条件与详细动力学 模型计算结果也基本一致。 关键词：均质充量压燃( h c c i )j e 庚烷( n h e p t a n e ) 化学反应动力学c h e m l d n 简化动力学模型 天津大学硕士学位论文 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 i ) c o m b u s t i o n h a sb e e n a t t r a c t i n gg r o w i n ga t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r sd u et o i t s p o t e n t i a l f o rs i m u l t a n e o u s r e d u c t i o no fe x h a u s tg a se m i s s i o n sa n df u e lc o n s u m p t i o ni nd i e s e le n g i n e s h o w e v e r , i ti sv e r yd i m c u l tt oc o n t r o it h ei n i t i a t i o na n dr a t eo fc o m b u s f i o no v e rt h er e q u i r e d s p e e da n dl o a dr a n g eo fh c c ie n g i n e f i r s t ，h c c lc 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 rd i r e c ti n j e e t i o n d i e s e le n g i n ew i t hh e p t a n e a i r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh c c ic o m b u s t i o no fd m e p 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 ；b o t ht h ei n c y l i n d e rp r e s s u r ea n dt h ea v e r a g e t e m p e r a t u r ed e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fe x c e s sa i rr a t i oa n dt h ei g n i t i o nt i m i n go f t h es e c o n ds t a g ep u t so f fs i m u l t a n e o u s l y t h e a u t o i g n i t i o n a n dc o m b u s t i o nm e c h a n i s m so fn - h e p t a n eh a v eb e e n i n v e s t i g a t 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 er e s u l t si n d i c a t et h a tn - h e p t a n es h o w s t w o s t a g ea u t o i g n i t i o n h e a tr e l e a s ew i t l ll o wt 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 h t e m p e r a t u r er e a c t i o n ( h t r ) ，a n dh e a tr e l e a s ew i t hh t ri s c o n s i s to fb l u e - f l a m e r e a c t i o na n dh o t f l a m er e a c t i o n t h es e c o n d0 2a d d i t i o n i st h em o s ti m p o r t a n t e l e m e n t a r y r e a c t i o nf o rt h el o wt e m p e r a t u r e b r a n c h i n g ，a n d t h es u c c e s s i v e d e c o m p o s i t i o no fi t sp r o d u c t i o ni st h em a i ns o u r c eo fo h r a d i c a la tl t r b l u e f l a m e r e a c t i o ni 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 st h em a i ns o u r c eo fo ha t h t r i nt h i ss t a g e ，o ha b s t r a c t sh a t o mf r o mc h 2 0t og e n e r a t eh c o ，a n dt h e nh c o o x i d a t i o nt oc 0 h o t f l a m er e a c t i o ni sd o m i n a t e db yt h eo x i d i z a t i o no fc ot oc 0 2 o hr a d i c a li sm em o s ti m p o r t a n tr a d i c a li n 血eo x i d a t i o no fc 0a n dh - a b s t r a c t i o n f r o mn - h e p t a n e b o t hd i f f e r e n ti n i t i a lt e m p e r a t u r ea n de q u i v a l e n c er a t i oc a ng e n e r a t e t h r e ed i f f e r e n tc o m b u s t i o nr e g i o n s ：c o m p l e r ec o m b u s t i o n ；l o wt e m p e r a t u r er e a c t i o n a n db l u e f l a m er e a c t i o n ；o n l yl o wt e m p e r a t u r er e a c t i o n t h er e a s o nw i t h o u th o t - f l a m e r e a c t i o ni st h a tt h ea b s e n c eo fr e a c t i o n8h + 0 2 = o + o hr e s u l ti nt h el a c ko fo hr a d i c a l t oo x i d i z ec o ；t h ek e yo fo n l yl o wt e m p e r a t u r er e a c t i o ni st h ea b s e n c eo fh 2 0 2 d e c o m p o s i t i o na n dh 2 0 2d e c o m p o s e sr a p i d l yo n l yw h e nt h ec y l i n d e rt e m p e r a t u r e i n c r e a s e sa b o v e1 0 0 0 k ，s ot h e r ei sn o te n o u g h0 hr a d i c a lt oo x i d i z ec h 2 0 i na d d i t i o n ，o nt h eb a s i co ft h ee l e m e n t a r yr e a c t i o np a t hg e n e r a t e ds t a r t i n gf r o m t h es t u d ya b o v e ，ar e d u c e dm o d e lo fn - h e p t a n eh a sb e e nd e v e l o p e db ys e n s i t i v i t y a 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 s o fi n t e r m i d a t es p e c i e s t h en e wr e d u c e d 天津大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e c h a n i s mc o n s i s t so f3 5s p e c i e sa n d4 1e l e m e n t a r yr e a c t i o n sa n di th a sb e e u v 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 i t i o n ss i m i l a rt o t 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 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 l lb eu s e dt os i m u l a t eb o u n d a r yc o n d i t i o no f p a r t i a lc o m b u s t i o n i ng o o da g r e e m e n tw i t l lt h ed e t a i l e dm e c h a n i s m 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 ) ，n h e p t a n e ， c h e m i c a lk i n e t i c s ，r e d u c e dm o d e l 独创性声明 本人声爨瑟璧交熬学经谂文是本人在霉簿撵罢下邃萼予懿疆究王侉霹取褥翡 研究成果，除了文中特剐加以标注和致谢之处外，论文中不镪含其他人已经发表 躐撰写过的研究成果，也不包含为获得基连盘鲎或其他教育机构的学位或诚 书而使用过的材料。与我一同工作的同惑对本研究所做的任何贡献均已在论文中 佟了明确的说明并袭示了谢意。 学位论文作者熬铝：舟取薷 签字日期：牲年丸月参目 学位论文版权使用授权书 零学位论文俸嚣完全了解苤凌畚茎有关傈罄、傻餍学位论文鲍裁定。 褥援投盘生叁耋霹戳将学位论文豹全部或部分麦容缓入有关数据疼遗行徐 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供焱阅和借阅。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：妊朝季 导师签名：吨锇 镣字目期：堙年扣月寥目 签字日期：疗岁年乞月苫因 天津大学硕学位论文 第一章壤谂 1 1 前言 第一章绪论 为突破镑统肉燃钒簿赦蠢经济毽懿鼹籁，这几年鼙舔内燃钒赛广泛西震了癌 燃机新燃烧方式钓研究。其中均质充爨鹰燃( 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嗣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枫界的高度关注。 h c c i 燃烧方式络会了传统压燃式发渤机和点燃式发勘枫的优点：与传统点 燃式发魂瓤稳跑，国予是疰懋著豆没鸯整渡援失，爨浇褥绥籁短，哥 筮褥委嚣簇 燃式发动机相当的离热效率；与抟统聪燃式发动机相比，幽于是均质混合气聪缩 燃烧，燃烧反应几乎魁同步进行，没有火焰前锋面，燃烧火焰温度低，从而可以 同时降低微粒( p m ) 排放和极低的y o x 摊敝。 虽然h c c i 燃烧方式有着许多优点。但是要使其在内燃枫中得到广泛鲍殿 瓣，还舂诲多理论秘王疆上兹鞫鬈嚣黉簿浃晖这些阂题缀攮起来主要毒激下a 个方面： 1 、在宽广发动机范围内着火时刻控制 由于h c c i 发动机着火燃烧过程主鼹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溅合气浓度成分、温度和压力的变化历程 掰决定，控裁羞火及燃浇过程足 透过麓羧控裁，所醚着火辩襄控裁是h c c i 发 貔祝瑶箍懿最大酌簿褥。 2 、扩展h c c i 发动机工况运行范嘲 尽管已被证明，h c c i 发动机在中负荷条件下运行得很好，但其运行工况藏 网较窄。一方面，出于h c c i 燃烧是均匀混合气在整个发动机气缸内同时多点潜 火燃烧，燃烧反应遮攀楣当高，当发动搬在赢受蘅工况运行时，过抉的燃烧反艨 遴发会弓l 霆溱震燃烧，造或遘大豹燃浇蟓馕压力，镬发动凝骚桩藏受蘩弱燕受秘 过离而损坏，同时通产生难以接受的噤黟和急剧升高的n o x 排放。另一方磷， 对于高辛烷值燃料溅低负荷工况运行，由于混合气浓度过稀，低温反应产生的热 嫩减少和自由基浓度减小，主燃烧反应发生时刻推迟太多，燃烧反应速度过慢， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 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 等有害排放物增加，能耗率严 重恶化。因此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。 3 、h c c i 发动机冷起动困难 在冷起动工况，由于没有进气预加热，在压缩的过程中混合气就被冷的燃烧 室壁吸热而迅速冷却，压缩终了时混合气温度过低，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，使冷起动困难。 4 、h c 和c o 排放问题 在中等和小负荷工况下，h c c i 发动机具有较低的n o x 和p m 排放，但碳氢 ( h c ) 和一氧化碳( c o ) 排放相对较高。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。 和传统发动机相比，h c c i 的燃烧过程主要受化学反应动力学控制 2 】，h c c i 发动机的成功运行要以动力学为手段控制着火和燃烧反应速率。研究h c c i 燃烧 反应动力学机理，发展内燃机边界条件下的简化动力学模型对深入理解h c c i 燃 烧机理，寻找h c c i 燃烧过程控制新的技术途径具有重要的理论意义和实用价 值。 1 2 化学动力学机理跚 在h c c i 燃烧模型中用化学动力学机理的目的是预测着火时刻和燃料转化 成生成物的速度。化学反应动力学机理可以分成四类：( 1 ) 单步反应机理，( 2 ) 通用机理，( 3 ) 简化机理，( 4 ) 详细机理。单步模型和通用机理都是经验的方法， 它们试图用一个或两个带系数和速率常数的方程来描述所有的化学行为，其系数 和速率常数是根据实验数据调整的。通用模型不针对单个反应物，而是辖它们按 化合物分类，例如醛类、醚类利退化枝链物质。简化机理在详细机理的基础上， 通过敏感性分析等手段给定燃烧过程最重要的物质和反应。详细机理是虽复杂 的，它试图包括反应所有的化学细节，一般包含几百种物质和几千个反应。 尽管不周的化学反应动力学机理所解释的化学细节随模型的复杂性而不同， 但是不管模型复杂性如何也只是实际反应系统的近似模型。详细机理试图包含所 但是不管模型复杂性如何也只是实际反应系统的近似模型。详细机理试图包含所 天津大学硕士学位论文第一章绪论 有相关的物质和反应，计算所描述的物质只能和实验所测得的少量中间产物相比 较，大部分的物质根本不能被检验。因而模拟所要达到的目的是选择动力学模型 最重要的因素。比如，如果研究的目的是在一定的工况范围内预测着火时刻，那 么单步模型或通用机理就足够了。如果研究的目的是理解能量释放的详细过程或 预测h c c i 燃烧的排放，那就不得不选择详细机理或适当的简化机理。 i 2 i 单步机理 单步反应机理是描述碳氢燃料氧化最直接的方法。它表示燃料消耗的整体速 率，相当于许多基元反应的综合结果。一般碳氨燃料的整体的全局反应是 c h y + ( 1 + y 4 ) ( 0 2 + 3 7 6 n 2 ) 一c 0 2 + y 2h 2 0 + 3 7 6y 2n 2 ( 1 ) 这里y 是是燃料的h c 比值。用单步反应模型燃料的燃烧反应速率可以表示为 k o v = a t “ f u e l 8 o x i d i z e r 6 e x p ( 一e a r t )( 2 ) 式中a 为指前因子常数，n 是温度指数，a 和b 是燃料和氧化剂的浓度指数，e a 是整体活化能。为了获得与实验数据最符合的趋势，a 和b 的值通过实验来确定。 单步反应机理已经被用于模拟c 5 到c i o 链状烷烃的火焰传播速度和可燃性极 限。其中活化能为3 0 k a l ，燃料指数为o 2 5 ，氧化剂指数为1 5 。指前因子常数对 于不同的燃料其值在3 8 1 0 到7 2 1 0 1 2 之间n 应用单步反应模型，l i v e n g o o d 和w u 将快速压缩机与s i 发动机的着火时 刻联系起来i s ，他们证明，对于给定燃料，反应程度、压缩过程中混合物热量变 化历程和时间之间存在着一定的函数关系。假设重要的中间产物x 的浓度达到 x c 的时候自燃着火发生，由上述假设，物质x 可以代表过氧化氢h 2 0 2 或过氧 羟自由基h 0 2 ，这两种物质被认为是导致着火的重要物质。着火准则可以表示 为 盟：仁廊：1( 3 ) ( x ) c? o 式中f 是着火延迟时间，“是开始时刻，t ，是着火时刻，由整体反应速率表示的 着火时刻可以写成 f = c p ”e x p ( b r 1 ( 4 ) 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 式中c ，n ，b 是经验值。d o u a u d 和e y z a t 已经将上述方法应用到一定工况范围 内s i 发动机中不同辛烷值燃料燃烧着火时刻的预测【6 】。对于由方程4 形成的自 燃着火时刻，单步模型方法已经被用于定容反应器和发动机中着火延迟的预测。 n a j t 和f a s t e r 用单步反应模型来预测h c c i 燃烧的平均能量释放率1 2 】。在已 知大部分能量释放来自c o 的氧化的前提下，n a j t 用d r y e r 给出的c o 的整体消 耗速率7 l 作为研究放热关系式的基础。 坐攀：1 0 ”s 侧- o 哆严 日：o x v ( - 4 0 0 0 0 r r ) ( 5 ) a l 总燃烧速率由燃烧过程中平均能量释放率来表征。平均能量释放率定义为燃 料已燃质量分数在2 5 到7 5 之间燃料消耗的平均速率。由平均能量释放率导 出的关系式可以表示为 a e r r = 击霄珊”5e x p ( - e d y e r 。) ( 6 ) yt d c 式中a e r r 是燃料消耗的平均速率，单位是g n v s e c ，是余隙容积，妒是当 量比，d r 是充气效率定义为完全充满气缸的理论空气量除以实际进气量。乙是 能量释放过程中平均温度。这个关系式能在一定的工况范围内很好的预测能量释 放率。活化能由实验确定，不管是链状烷烃还是芳香烃其值均为1 5 5 k c a l 。 h c c i 燃烧一个明显的特征是着火时刻和总燃烧速率都是由动力学控制的， 这就给单步反应模型描述上述过程带来了一定的困难：单步反应模型可以用于模 拟着火过程或燃烧持续期，却不能同时模拟这两个过程。尽管有这个限制，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 2 2 通用机理 通用机理是将相似的化学物质归为一类，这种方法首先被h a l s t e a d 等人在 s h e l l 模型研究中作为简化模型研究碳氢燃料的低温氧化过程时应用【8 j 。这类模型 在不同的文献中用于模拟s i 发动机、h c c l 发动机和柴油机的着火时刻。 最初的s h e l l 模型包括燃料、氧气和3 种中间产物：退化枝链代表物质b ， 不稳定的中间产物q 和自由基r 。h a l s t e a d 的反应机理包括下列8 步反应 9 1 ： r h + 0 2 山2 页 链引发；( 7 ) 瓦生页+ 燃烧产物和热量链传播循环； ( 8 ) 天津大学硕士学盟论文 第一章缝论 面盟 】i + b 夏+ 坌立k 一爱+ 嚣 夏垡翩t 页生甘页。+ q 2 页生斗。w 链传播形成b ； ( 9 ) 链传攒形或b ： ( 1 0 ) 绫髋链中断： ( 1 1 ) 链传播形成q ； ( 1 2 ) 二次方链中断； ( 】3 ) 嚣盘一2 蠢 邋纯棱链。 ( 1 4 ) 式中砖，k ，_ ，五，石，如，墨，和如均为化学反应速率系数n 用s h e l l 模型模拟着火时刻已经得到许多研究者的修正莘扩展。h u 和k e c k 将最初的s h e l l 模型扩展到了1 3 种物质和1 8 个反应”o l 。这个摸型包含了更多的 爨由基物囊势蕈独绘滋了燃精蠢小烃蘩与o h 帮强0 2 豹反。男乡 ，被氧纯静 物质分解成醛类和5 军孛过氧纯物。敏感髓分孝斤说鞠第二除段着火最重要豹反皮 魁： r d 2 r o o h ( 1 6 ) 吼d 2 + 埘专o h + o h + m ( 1 7 ) 爱应1 6 静态帮阕分髯稳健反应戆重要靛传疆在它是运纯较镳携凄r o o h 累积魏 主要反应，过氧化烷然和r o o h 反应之间反应的平衡对饕火时刻的影响是非常 大。 s h e l l 模型的一个缺点是速率常数究全是根据实验曲线确定的，没有系数滤 耩麴理论基础，为了敬善这个缺点著扩大模型豹应用范围，z h e n g 等人进一步扩 矮了模壅，绘密了滋爨体兹瑗氢稳合携秘戴纯垂峦基h ”。豫们在h u 纛k e e k 豹 潦础上，加入7 种物膜和1 1 个反应，馒低温反应多释放一魑能量，反应包括醛 艨( r c h o ) 、稀烃( c = c ) 、羰基( o r ) 和小烃基的氧化谂径，c o 的生成途 径也包括在内。从h c c i 发动机实验来鬻，模型能近似预测3 种基础燃料( 正庚 烧和异辛烷混合燃料) 的着火时刻。 s h e l l 模型豹勇一个缺点是它不包聚鸯溢爱痊，溪 夏大帮分戆放热率这拿模 溅都不能预溅，为了解决这个问题，z h e n g 等人加入了商滋予模型和大分子分解 予模型，最后的机理包括4 5 种物质和6 9 个反应【1 2 l 。敏感性分析反应出着火开始 鼹重要的反应是o h 自由基使燃料脱氨的反应： r h + o h _ r 十科2 0 ( 1 8 ) 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 这个反应重要是因为通过它生成了形成过氧化自由基的烃基r 。研究证实燃烧持 续期由甲醛的氧化反应控制 c h 2 0 + o h o h c o + 日2 0 ( 1 9 ) 这里的h c o 自由基在接下来的反应中将会被氧化成c o 。 s c h r e i b e r 和g r i f f i t h s 发展了一个包括高温化学过程的更简单的通用机理f 】。 在这个机理中，有两步反应来描述高温能量释放，三步反应用来描述低温退化枝 链及能量释放，这五步反应是： f _ x x + 晟0 2 哼p f + 2 0 斗1 ，一2 y 】，+ o 5 f + 卢2 q 斗p 高温开始反应 高温能量释放 链引发 退化枝链 低温能量释放 ( 2 0 ) ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 以上反应中f 代表燃料，p 代表生成物，i 是退化枝链物质，y 代表白由基池。 常数卢f 和卢2 是依赖燃料的计量系数。高温能量释放由前两个反应控制，反应2 0 表示由燃料形成c o 和h 2 0 ，反应2 1 是c o 的氧化及高温能量释放。低温化学 过程由反应2 2 、2 3 、2 4 、2 5 控制。反应7 表示过氧化烷基、i 和其他退化枝链物 质的形成。物质1 分解生成两个y 自由基。低温产物的形成和能量释放由反应9 来模拟。这个简单的反应机理能准确的预测激波管中正庚烷和异辛烷的着火时 刻。 最近，z h e n g 等人又提出了个七步反应的通用反应机理【1 4 1 来模拟h c c i 燃 烧过程并取得了与实验较为吻合的结果。这七步反应是： f + 7 5 0 2j8 h 2 0 + 7 c 0 c o + o 5 0 2 营c 0 2 尸+ 2 0 2 营1 1 i lj 2 y 】，+ 0 5 f + 6 5 0 2j8 h 2 0 + 7 c 0 i ij 1 2 i j2 y ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 3 0 ) ( 3 1 ) 必津大学硕学位论文第一章绪论 式中f 代表燃斟，i l 、1 2 代表退化枝链物质，y 代表链传播物质。反应2 6 髑2 7 露现了毫漫纯举过程，爱盘2 7 控裁低漫氧纯及受 盈麓系数区诧学过程，爱 藏2 8 和2 9 控割藏一除段藿火，反应3 e 代表s 分解的影响释中阕产物敬链俺攒 反应，反应3 0 控制第二阶段着火，魑低温反应向高温反臌转折的重要反应。 1 2 3 详细反应机理 尽管诸麴s h e l l 模鳖鞋及在宅萋磁主修正夔逶焉纯拳动力学模墼裁残珐翘模 叛发动祝着灭时剡，这些模型仍然是在缀验的基础上建立越来的，他们仅仅在铁 实验获得的模型常数范围内模拟效果比较好。为了预测着火时刻、全工况范围内 的燃烧速率和确定必键的反应途径，研究中需要应用详细化学反应机理。虽然详 绷化学动力学模黧的模型复杂性和计算所需要的时间都增加了，但是它们还照农 燃疑之凌豹相互傣爝耱羲燃裁葳羞火擦潮翅影晌豹预测方鬻爨有疆大豹潜力。 在目前懿发髓阶段，大分子熬辩秘蜜拜芷庚烷( n - h e p t a n e ) 秘异辛烷( i s o o c t a n e ) 的详细化学动力学机理包括几百种物赝和几千个反应 1 5 1 q 。详细反应机理可以 应用在较大的温度茅【】压力范围内。有关熬元反应速率常数和详细反应机理已有搬 多文献报道，但人们在研究h c c i 燃烧反应机理方面更关、淀如何应用这些机理为 h c c i 燃烧控制寻找掰静技术途经。 疆变表唆，除攀稳努，蜃寄嚣磺氯燃瓣戴纯都是一个藏阏豹爰应途径。一般 来说，在燃料氧化成甲醛( c h 2 0 ) 、甲酸基( h c o ) 戳及嫩后氧化成c o 之前， 存在着燃料分子分解成小碳原子数物质的化学过程。要构建一个详细深入的大分 子碳氢燃料的化学反应机理，所有的小分子碳氢物质的予反应机理和h 2 0 2 系 统子反应机理都应该包括在模型里，c o 的氧化枫理也应该包搔在内。详细反威 筏毽包廷交毒分子狻震鬟大努予蘩霞酌菠应枣到”霸。实际主藩簇蒙子熬爨辩努丁 烷( b u t a n e ) 和己烷( h e x a n e ) 的反应辊理都楚在已经发展磁较成熟的甲烷静反斑税 理上发展起来的。 由于h 2 0 2 ，c o 。0 2 ，c h 4 空气反威系统的氧化机理比较简单，多年来这腆 氧他机理已经被广泛研究，目前这些燃料郡有比较成熟的殷应机理。将高碳原予 数分子热入妥反疲飘瑾中，夔之基理了德定耋由基、氧气与上透大分子碳氢纯台 物燃料分子之闻的蹙体反应的离题帮确定原始的子反癍褫壤中没有出瑶的大分 子烃基的反应的问题。例如，将正丁烧( n 。b u t a n e ) i j i ) k 到丙烷( p r o p a n e ) 的反应机理 中就需要增加o h 、o 和h 等自由基与丁烷之间具体的位殷应，不同位的反威缴 成各种丁烷基的同分异构体，同时还会涉及到脱氢后丁烷赫的8 位分解的问题。 ? 天津大学硕士学位论文 第一章缝论 尽管具体的速率常数不清楚，但还是可以根据分子中原予的宅间排列和反应的蒋 遍性做出合理的估计。 貉瘊和反应披嬲入到簸始的反应瓿遴孛并 砉算速率常数毅磊，摸型必须通过 泛经获褥貔实验数援检验是否有效。我纛希望获彳导在跑较宽黪湿度帮压力范圈肉 都有效的反应机理。对于化学反应机瑕模拟的结果，着火赠送般与激波管和快 速压缩机得到的饕火延迟相比较，具体的物质信息则与常聪流动反应器和喷射搅 拌器中得到的物质信息相比较【】6 】。最具商挑战性的对比是与发动机实验对比，邋 楚因为发动枫实验数描包括气缸内温度梯度和传熟损失的影响。为了模拟气缸内 豹热琢凌莠怒纯攀影虢分离窭寒，发韵壤。壤摇是必要豹。 模拟与实验数籀的对吃需要进一步提炼一些化学动力学速率常数。过于缭定 的大量的物质和殿成，要知道哪个反应需要修改是几乎不可能的。为了确定一个 系统的速率一极限殿应，敏感性分析技术是重要的分析手段。敏感新分析最基本 豹形式是每个速搴常数( 包括正反应速攀和逆反应速率) 增加2 倍，计算系统反 寝毪交纯豹吾分数。爱应性夔诗算夔餐嶷羧系统豹变纯露改变。对予激渡营实黢 入们感兴趣懿是饕火时刻，丽对于滚韵爱应器实验来说，敏感性分析计算酶楚燃 料的消耗速率。 详细化学动力滞的优点是可以研瓶燃料之间的相互作用和添加剂对着火时 刻的影响。然而详细化学动力学的发展还有很大的不足，它们仅能定性的掐谶 s l 发动机壹燃着火豹复杂豹纯学影响。c u r r a n 等人研究了媛已烷同分异构俸对 巍然蓑炎静影响器s 】。浮维纯学动力学攘黧曩经被爱予磅究鬣璨鞫菝暴添蕊裁豹影 响l l 针。模拟分析缩聚遵示添加帮的主要影响是它们对o h 自由基池的影响。抗爆 添加剂是通过延迟低温放热或通过抑制商温h 0 2 自由基来达到抗爆目的。 有许多研究者臌用详细动力学模测研究了着火促进剂如二甲基醚【2 ”、二二 带氧基甲烷和二特丁基过氧化物贮3 1 等添搬裁对柴油燃料辫火延迟豹影响，识 燃瓣添热赛藿对藿火影礁豹辍理还没毒绞一豹试谖。骞注撂袭明添鸯曩裁戆烫遗掺惩 主要是由于低温放热造成的，然而，肖入姗认为影响实际，l ：= 蹩亿学方面的，楚由 于添加剂的分解产嫩的自由基的子枝镳反应对其作用机理。清楚的认识还有待于 进一步的研究。 1 2 。4 麓诧反应橇疆 详细反应机理可以在尽可能宽的范围内模拟燃烧系统，它们的问题是对于大 多数的应用计算太麓杂。模型所包括的复杂的细节对许多臌用来说并不需要。简 化机理是从详细机溅抽取出来的仅仅包括对于给定应用的爨要的物质和反应。简 8 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 化机理是用敏感性分析技术在详细反威机理上发展起来的。敏感性分析用于确定 娥快的反应，这样一个初步的反应机溅就得到了。 对译甥轰癍税璎避行篱弦豹方法蠢缀多静，s o y h a n 答霆动燕纯技术发鼹了 释自动篱纯技术将天然气静5 9 9 个麓元反应，3 3 静物震驹详细反应瓿理麓纯 成2 0 个全局反应和2 3 种物质刚；m o n t g o m e r y 等使用计辕机辅助简化技术得刘 了乙烯和庚烷的简化机理【2 5 】；a m a rp a t e l 等用敏感性分析方法结合遗传运算法 则将16 5 个反应和4 0 种物质的庚烷反应机理简化成2 9 种物质和5 2 个反应 2 6 j 。 应当指出，简纯毒氇理是菝赖予具体的反应系统，一个鞔理楚纯豹程度越大， 它豹应焉范交载越蠢羧，天粕逶_ 过敏蘩穗分糖来努选重要携震，僵是这静方浚套 不可避免地去除摔一些在别的应用范圈非常重要的物质。髓替简化程度的提鬻， 我们应该清楚的认识到能准确预测激波管内着火延迟期的机理可能不能准确的 预测h c c i 自燃过程。 1 3 内燃撬诗篝摸鳖篱会 近年来，随着内燃机燃烧学与现代电子计算机等多学科知识的综合发展，出 现了许多不同的计辫模型来帮助理解黛际发动机几何参数对h c c l 着火和燃烧 影蛹翡基本援律。h c c i 熬诗算模型可以分态西大类： ) 零维热力学模型，2 ) 凇 维热力学模型，3 ) 分敬多区c f d 模蘩，4 ) c f d 与纯学动力攀耩台模型。 1 3 1 零维热力学模型 最简单的h c c i 模型是单一均质酝域内的零维热力学模型，它是在现有的 s l 袋d i c i 发番援零维模登戆基礁上发燧起来兹。零维援型浚骞考瘩流动超嚣恣 不考虑缸内溢度场的不均匀性。这稚方法的焦点集中在化学渤力学及其对自燃秘 燃烧时刻的影响。这类模型最早由n a j t 和f o s t e r 提出用于帮助分析预混压缩潜 火c f r 发动机的宓验结果翻，他们采用的是s h e l l 模型和缀验的a r r h e n i u s 蚺步 燃烧模型，通过调熬模型常数以适应宽辩嗣的发动机燃烧魇腋速率并得到燃烧避 稷囊纯学复痤动力学控副豹结论，这一戏患嚣蔻已经被广泛接受。 近赣研究使瘸瓣零维模型主要是缀避长期研究发震豹详细亿学动力学横溅 1 2 ”9 】。例如，v v b n g 和k a r i m 用单区横溅研究了废气再循环的化学影响。总的求 说，零维模型可以成功的揭示燃料组分、压缩比、空然比、e g r 率和其他运行 参数对燃烧过程的影响，也可以描述h c c i 运行的稀燃和爆震极限。这类模型中 静绝大部分不计算动态的燃烧过程，弼怒建理想的充量进雩予摸越。 9 天津大学硕士学位论文 第一章缝论 虽然零维模激在评价发动机性能方面具有一定准确性，但是它有一个明照的 缺点：不能准确豹颓测放热率、燃烧逃行完全程度和排放。遮主要是由于整个燃 滋室走严穆均矮懿麓纯缓设。 1 3 2 准维热力举模型 为了克服零维模型和单区模型的缺陷，有研究者将相廒的计算区域添加别燃 烧室中不秘物理区，这静方法进行模拟砑以涉及一些重要的物理化学现象和几僻 参数熬影旗瑟避凫了整个c f d 方法瓣诗募。n o d a 窝f o s t e r l 3 。1 透过在零缝攘瑟中 弓| 入不同温度参交麓的多区模拟来揭示温度分层的影响。e a s l e y 等p 在燃烧模 型中加入相关的几何特征，包括多核区、定常容积间隙区和常厚度淬熄层。另外， 维气体动力学模拟提供了残余废气分数和平均温度作为多区模型在压缩始点 的初始条件。 毽秀准缝横激蹩鼗系零维模羹巍多维模墼之阕懿耩樊，f i v e l a n d 器 a s s a i n s l 3 2 瑚1 对其佟了详细深入静研究。这个模型是在整个循环模羧的基础上， 包括中心绝热区横溅、边界层热传导酝模型和间隙流动模型。模拟结果与天然气 燃料发动机实验数据吻合的很好，而风能准确的预测未燃h c 排放。但是由于缺 少气缸壁附近区域模型，c o 预测误麓较大。 在适合的标猴下，准维模型模拟女怒疆关键凡 霉特绥鹣影响葱没有过多豹嫌 彀计算露瓣，它爨一狰浃速静 卡算王爨谭毅俸秀实舔汽擎系统模菰静基穑。壤维 模型最大的不足怒不能准确的描述实际应用中可能存在的残余废气的分层或不 均匀性，尤其是在随喷系统中。 1 3 3 分散多区c f d 模型 为了获得c f d 模型模叛的区域能缩桨，并减少详细纯举动力学诗葬所需鬻 的时间，a c e v e s 簿 3 5 1 提出了一种分散的、序列的多区模型方法。这类方法在 下止点( b d c ) 到上止点( t d c ) 前临界点的发动机循环部分运行计算流体力学 代码，气体分别流入1 0 个质量一温度隧，然后在每个温度区进行详细的燃烧渤 力学诗篓，由于燃烧辩运稷短，这里认为送域羯魏屡积热爨豹扩教不重要嚣不予 考虑。模鍪最早模数了在1 0 0 2 0 0 k 滠发范围蠹主止点瓣近充量静主要变化掰 程，并且论证了这种变化对放热率预测的影响，弥补了单聪模型的不足。模烈成 功模拟了燃烧室内低温区域、沿着气撤蹩附近区域和间隙环区域，这些区域导墩 了使燃烧效率降低，未燃h c 和c o 排放升高。 b a b a j m o p o u l o u s 等i 蚓将a c e v e s 等提出的模型扩震到了磷究h c c i 发动枫可 0 天津大学硕士学位论文第一章绪论 变气门和气体交换过程的影响。三维流体动力学代码k i v a 一3 v 用于模拟排气、 进气和压缩冲程，而多区热力学代码计算燃烧过程，模拟的结果与天然气发动机 的实验结果对比。另外，获得大量内部残余废气分数的方法是通过排气门早关和 迸气门迟开。模型不仅能模拟大范围温度变化的影响，而且能模拟在燃烧开始时 整个燃烧室内残余废气的不均匀性。 1 3 4c f d 与化学动力学耦合模型 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。三维c f d 模型与化学动力学直接 耦合模拟h c c i 及近似条件下压缩着火方面进行的研究比较多。m i y a r n o t o 等1 3 7 用k i 一i i 与四步简化反应机理、紊流混合速率和z e l d o v i c hn o x 动力学研究 了预混稀燃柴油机的燃烧和排放。尽管用的是最简单的动力学机理，模型还是很 好的预测了排放随喷油定时的变化趋势。这证明了c f d 与化学动力学耦合方法 的潜力。k u s a k a 等【3 8 1 用k r 、r a 一3 v 与简化化学动力学机理耦台模拟理双燃料( 柴 油天然气) 发动机的燃烧过程，n - h e p t a n e m e t h a n e 简化动力学模型包括4 3 种物 质和l7 3 个基元反应，计算得到的c h 4 、c o 、o h 和n o x 曲线有助于对实验现 象的理解。 a g r a w a l 和a s s a n i s 3 9 i 用天然气详细化学动力学模型( 2 2 种物质，1 0 4 个基 元反应) 与k i v a 3 v 耦合来模拟类似柴油机的天然气真喷发动机的自燃着火。 详细动力学用来预测着火始点，为了考虑小尺度湍流混合的影响，单步化学反应 用于模拟燃料转化成生成物的完全燃烧，n o x 形成用z e l d o v i c h n o x 生成机理。 z h iw a n g 等用三维c f d 代码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【4 ，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。 c f d 直接与化学反应动力学耦合运算不仅可以分析缸内不均匀性对自燃的 影响，而且能模拟湍流的影响，但是这种模型受到计算机的限制，耦合计算需要 的时间太长，一般只使