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乙醇均质压燃及燃料改质的模拟研究

作　者: 刘家利
导　师: 张春化
学　校: 长安大学
专　业: 载运工具运用工程
关键词: 数值模拟乙醇均质压燃化学动力学机理运行范围燃料改质
分类号: TK16
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

均质充量压缩着火(Homogeneous Charge Compression Ignition,HCCI)燃烧方式,是在进气过程形成均质混和气,混和气因受到压缩达到自燃温度而发火燃烧。这种燃烧方式既不同于汽油机的预混气体火焰传播燃烧,也不同于柴油机的压缩着火扩散燃烧,是一种新的燃烧方式。HCCI具有高效率、低NOx排放和无颗粒(PM)排放的潜力,应用于汽车动力能够满足日益严格的燃油经济性要求和未来排放法规要求,因此已成为近年来动力机械领域内的前沿课题。本文应用CHEMKIN软件对乙醇氧化燃烧的化学动力学过程进行了理论研究,模拟了乙醇燃料HCCI发动机的燃烧过程,并创新性的提出了在线燃料改质的概念,并成功实现与HCCI燃烧模型的耦合。研究中使用的乙醇氧化化学动力学机理是在美国Lawrence Livermore国家实验室公布的数据基础上改进而得到的。修改后的乙醇氧化化学动力学机理添加了扩充的Zeldovich机理用于NOx排放的预测,并融合了氢气、甲烷氧化反应的简化机理使得模拟条件贴近实际情况。研究表明,乙醇氧化着火燃烧划分为三个阶段:反应链引发阶段、活性基积累阶段以及着火燃烧阶段;进气温度对HCCI燃烧的影响尤为显著,随着进气温度的增加,燃烧压力、缸内温度上升,燃烧始点提前,压力升高率增大,CO排放降低,NOx排放增加;过量空气系数增大时,燃烧压力和缸内温度下降,压力升高率降低,CO和NOx排放皆呈下降趋势;EGR率增大时,燃烧压力和缸内温度下降,压力升高率降低,NOx排放下降,CO排放降低缓慢上升;发动机转速增大时,燃烧压力降低,缸内温度变化不大,但峰值对应的曲轴转角相应推后,CO排放明显增加,而NOx排放基本保持不变。通过参数化模拟研究得到了以发动机转速和过量空气系数表示的乙醇HCCI工作区域,该区域由爆震界限、失火界限和部分燃烧界限围成。过量空气系数的最大工作范围为1～9,发动机转速的最大工作范围为600～2200 r/min。改质模型中改质气的生成主要受改质燃料浓度和改质室截留相位的影响,经计算优化后选定上止点后30°CA作为最优改质室截留排气相位,最优改质燃料浓度为O.16。经耦合后的改质模型能够明显改善乙醇HCCI燃烧,使得HCCI燃烧提前,燃烧速度加快。随着改质气比例和改质气进入气缸相位的不同,改质气对原HCCI燃烧的影响也不同。改质气比例增加,燃烧始点逐渐提前,最高压力增加,而最高压力对应的曲轴转角也逐渐向上止点靠近,指示热效率也随之上升;随着进气相位逐渐接近上止点,HCCI燃烧逐渐推后,指示热效率上升。改质气在上止点前14°CA进入燃烧室时最先开始燃烧,而改质气在上止点前12°CA进入气缸时最高压力最大。改质气的加入使得乙醇HCCI发动机失火极限转速平均提高了41%,显著的拓展了HCCI发动机的燃烧。

乙醇均质压燃及燃料改质的模拟研究

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