正庚烷预混火焰中PAHs的生成机理

应用CHEMKIN软件对正庚烷预混火焰中碳黑的先驱物PAHs的生成机理进行研究,得到了包含49种组分、94个基元反应的简化模型.该饥理包含正庚烷的燃烧和PAHs的生成两部分,正庚烷的燃烧模型构建在Patel等人模型的基础上,增加了3个低温区关键反应;PAHs生成机理主要根据脱氢加乙炔(HACA)反应机理添加.新模型能够模拟正庚烷预混燃烧的冷焰和热焰反应以及预测PAHs的生成过程,与详细模型计算结果吻合较好.为CFD多维模型与化学反应动力学模型相耦合的燃烧计算提供了可行的途径.     

正庚烷均质压燃燃烧简化动力学模型

在详细化学反应动力学研究的基础上,通过对正庚烷均质压燃燃烧各阶段反应途径分析和敏感性分析,构建了一个新的包括35种物质和41个基元反应的正庚烷均质压燃简化动力学模型．在发动机模拟方面,对此模型进行有效性分析,结果表明,在一定的边界条件范围内,简化动力学模型在着火时刻、缸内温度和压力方面都与详细动力学模型吻合较好,简化动力学模型适用于模拟HCCI部分燃烧边界条件．     

正庚烷均质压燃燃烧反应化学动力学数值模拟研究

应用零维详细化学反应动力学模型，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，分析了在内燃机边界条件下影响其燃烧反应的关键基元反应、关键中间产物以及自由基。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，高温反应阶段又可以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OH自由基的主要来源；蓝焰反应阶段主要是甲醛氧化成CO的过程，H2O2的热分解是控制该阶段反应最重要的基元反应，也是OH自由基的主要来源；热焰反应主要是CO氧化成CO的过程；CO的生成途径是：低温反应生成的甲醛(CH2O)脱氢生成HCO，HCO氧化生成CO，OH是CO氧化为CO2和正庚烷脱氢反应最重要的自由基。     

正庚烷HCCI燃烧过程的数值模拟及试验研究

结合详细化学动力学机理,运用最新的CHEMKIN—Ⅳ化学动力学软件包中的IC enginc模块模拟了正庚烷的HCCI燃烧过程。并在一台高速四缸柴油机上进行了单缸正庚烷HCCI燃烧试验。分别从理论和试验上研究了正庚烷的HCCI燃烧过程以及各种参数变化对燃烧过程的影响,研究表明：正庚炕燃烧过程由低温反应和高温反应两阶段组成,NC7KET裂解生成OH是低温阶段最重要的反应,高温阶段着火是由H2O2裂解所触发的,低温阶段着火对高温阶段着火起着关键作用;各种参数的变化会导致燃烧过程的显著变化。     

均质压燃发动机燃烧特性的详细反应动力学模拟

应用CHEMKIN化学动力学软件包中的SENKIN模块模拟了正庚烷在HCCI发动机中的燃烧过程。通过修改SENKIN程序，加入了Woschni传热模型，并在正庚烷详细氧化机理中加入氮氧化物的生成机理，将此程序纳入发动机燃烧的零维单区模型。对多种工况参数下的HCCI燃烧和NOx排放进行了系统的计算，并分别讨论了进气温度、进气压力、压缩比、过量空气系数和转速等参数变化对HCCI发动机燃烧过程的影响。     

适用于HCCI的正庚烷化学动力学简化模型的研究和比较

利用敏感性分析、主要组分分析以及准稳态假定3种方法,将含有44种组分和72个反应的SKLE正庚烷简化模型再简化到40种组分和56个反应;简化后的模型对滞燃期的预测结果与LLNL详细模型非常接近,与激波管实验结果基本吻合,适用于HCCI发动机的多维模型的计算.与其他模型比较发现,Patel等人的模型缺少在低温区起关键作用的反应,即二次加氧反应(.QOOH+O2.OOQOOH),而Tanaka等人的模型缺少了CO的主要生成历程;在HCCI发动机典型工况范围内,SKLE简化模型预测着火时刻与LLNL详细模型吻合最好,Tanaka等人模型和Patel等人模型表现稍差,说明构建简化动力学模型时必须保证低温反应路径主干完整,同时不能忽略CO的主要生成历程.     

二甲基醚/天然气双燃料均质压燃化学动力学数值模拟

使用零维详细化学反应动力学模型，研究了二甲基醚和天然气双燃料均质压燃燃烧的化学反应动力学过程，缸内压力计算值和实测结果相当一致，计算结果表明，双燃料燃烧过程分为低温反应和高温反应两个阶段，低温反应主要是二甲基醚燃烧氧化，而高温反应主要是天然气的氧化，低温反应二甲基醚生成了大量自由基加速了天然气的燃烧反应．混合气初始温度升高，放热率增大，燃烧持续期缩短；二甲基醚浓度主要影响低温燃烧过程，天然气浓度则主要影响高温燃烧过程；惰性气体(CO2)使燃烧反应推迟，燃烧反应速率降低．通过控制二甲基醚、天然气和惰性气体浓度可以有效控制均质压燃燃烧过程，拓宽运行范围。     

基于CO-φ-T图研究混合速率对柴油低温燃烧的影响

利用CO-Φ-T图开展了混合速率对柴油机低温燃烧影响的模拟研究.首先,通过正庚烷详细化学反应动力学单区模型计算,建立了CO-Φ-T图,发现柴油机低温燃烧进程在当量比小于1和温度在1400～2100 K内结束时,能够获得高效清洁燃烧.然后,利用带有质量交换且考虑传热损失的化学反应动力学两区模型,结合CO-Φ-T图,研究不同EGR率下不同混合速率对柴油低温燃烧的影响,发现在低温燃烧的后期,即混合控制燃烧阶段,混合速率应当随EGR率增加面增加.但是,当混合速率过高时,燃烧路径容易进入NOx生成区;而混合速率过低时,燃烧进程容易"淬熄"在高CO生成区.因此低温燃烧要同时获得较高的效率和较低的NOx排放,混合速率应当随EGR率增加而适当增加.     

二甲基醚均质压燃化学动力学简化模型的研究

由于详细的化学动力学模型与多维流动动力学模型耦合的高度复杂性,很难将其应用于模拟实际发动机的工作过程。在详细反应动力学研究基础上,通过对二甲基醚(DME)均质压燃燃烧反应途径和敏感性分析,建立了均质压燃二甲基醚的简化动力学模型。此模型在Curran et al模型基础上构建,包括26种产物和28个基元反应。结果表明,提出的二甲基醚简化动力学模型与详细动力学模型计算结果相当吻合,简化模型在对着火时刻、缸内温度和压力计算结果与详细模型基本一致,简化机理对变初始温度和混合气浓度也有较好的预测能力,可应用于模拟二甲基醚HCCI的燃烧过程。     

基于HCCI发动机着火特性的柴油三组分表征燃料详细化学动力学模型

构建了一个由正庚烷、甲苯和环己烷组成,并加入正庚烷与甲苯的交叉反应,三组分柴油表征燃料的详细化学动力学机理模型,包含1 171种物质、4 580个基元反应.基于着火时刻对于均质充量压燃(HCCI)燃烧的重要性,以着火点为主要衡量标准,采用单区燃烧模型,以不同比例的三组分表征燃料详细化学反应动力学机理模拟HCCI燃烧的燃烧始点,根据HCCI发动机试验数据,确定了三组分机理的最佳组分质量比为8∶1∶1(正庚烷∶甲苯∶环己烷).还对单组分(正庚烷)、最佳比例的双组分(正庚烷、甲苯)和最佳比例的三组分机理进行了比较验证,对3种机理模拟得到的着火滞燃期和放热率的结果进行对比,详细分析了环己烷对表征燃料滞燃期的调整作用,以及交叉反应的加入对表征燃料的影响.结果表明:新的柴油三组分详细机理可以更为准确地描述柴油HCCI着火时刻.     

正庚烷HCCI燃烧下芳香烃及多环芳烃形成的数值模拟

通过修改化学动力学软件CHEMKINⅢ,建立了正庚烷HCCI燃烧下排放特性数值模拟的多区模型.利用此模型对正庚烷HCCI燃烧下芳香烃(苯)与多环芳烃(萘、菲及芘)的生成及演变规律进行了详细分析.计算中采用了正庚烷的燃烧与分解、多环芳烃生成的详细反应机理(共包括107种组分、542个基元反应).结果表明,缸内压力变化趋势的计算结果与实验值基本吻合;核心区由于温度较高,其中的正庚烷已充分燃烧,多环芳烃的质量分数极小;边界层区和缝隙区温度较低,尤其是缝隙区,其温度与壁面温度保持一致,正庚烷在其中不能充分燃烧和分解,同时这两个区域成为多环芳烃的主要来源.     

Application of micro-genetic algorithm for calibration of kinetic parameters in HCCI engine combustion model

The micro-genetic algorithm (?GA) as a highly effective optimization method, is applied to calibrate to a newly developed reduced chemical kinetic model (40 species and 62 reactions) for the homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion of n-heptane to improve its autoignition predictions for different engine operating conditions. The seven kinetic parameters of the calibrated model are determined using a combination of the Micro-Genetic Algorithm and the SENKIN program of CHEMKIN chemical kinetics software package. Simulation results show that the autoignition predictions of the calibrated model agree better with those of the detailed chemical kinetic model (544 species and 2 446 reactions) than the original model over the range of equivalence ratios from 0.1–1.3 and temperature from 300–3 000 K. The results of this study have demonstrated that the mGA is an effective tool to facilitate the calibration of a large number of kinetic parameters in a reduced kinetic model.     

正庚烷HCCI燃烧下芳香烃及多环芳烃形成的多维数值研究

将发动机多维CFD程序KIVA-3V与化学动力学程序CHEMKIN III相耦合,对正庚烷HCCI燃烧下芳香烃(苯)与多环芳烃(萘、菲及芘)的生成及演变规律进行了详细分析.发动机以正庚烷为燃料,其化学反应采用了正庚烷的燃烧与分解、多环芳烃生成的详细反应机理.结果表明在缸内混合气着火前,A1(苯)的质量浓度场较不均匀,在缸中心区域A1质量浓度较高,而在边界层及缝隙区则相对较低;然而在缸中心区域及缝隙区,A2(萘)、A3(菲)与A4(芘)的质量浓度场较低,而在边界层区则相对较高.在缸内混合气着火后,在缸中心区域及边界层区,A1～A4质量浓度较低,而在缝隙区则相对较高.混合气着火后短暂时间内为A1～A4生成的高峰期,在经历高峰期后A1～A4质量平均浓度迅速降低.同时,在排气门打开(120°CA ATDC)时,在这4种芳香烃与多环芳烃中,苯的排放量最高,萘其次,而芘的排放量则最低.     

Multi-dimensional modeling of the application of catalytic combustion to homogeneous charge compression ignition engine

The detailed surface reaction mechanism of methane on rhodium catalyst was analyzed.Comparisons betweennumerical simulation and experiments showed a basic agreement.The combustion process of homogeneouscharge compression ignition(HCCI)engine whose piston surface has been coated with catalyst(rhodium andplatinum)was numerically investigated.A multi-dimensional model with detailed chemical kinetics was built.The effects of catalytic combustion on the ignition timing,the temperature and CO concentration fields,and HC,CO and NO_x emissions of the HCCI engine were discussed.The results showed the ignition timing of the HCCIengine was advanced and the emissions of HC and CO were decreased by the catalysis.     

正庚烷对冲扩散火焰中多环芳烃形成机理的简化

使用敏感性分析对正庚烷对冲扩散燃烧火焰中多环芳烃生成的详细反应机理(包括108种组分、572个基元反应)进行简化,得到了可与CFD多维模型耦合计算的简化机理,该机理包括56种组分、83个基元反应.简化机理和详细机理的计算结果非常吻合,表明得到的简化机理能够精确地描述正庚烷对冲扩散火焰的燃烧特性,并且能够定量预测多环芳烃(例如苯、萘、菲、芘等)的生成.     

活性添加剂对高辛烷值燃料HCCI着火时刻与燃烧速率的影响

为研讨活性添加剂过氧化二叔丁基(DTBP)对高辛烷值燃料以HCCI燃烧模式运行时的放热率特征、着火时刻、燃烧持续期和排放特性的影响,在一台单缸发动机上,在辛烷值为90(RON90)(90％的异辛烷和10％的正庚烷)的混合燃料中加入不同比例(0～4％)的DTBP,考察5种燃料在1800r／min下不同负荷时的燃烧特性和排放特性．实验结果表明：RON90中没有添加剂时,只能在高温、高负荷下才能以HCCI燃烧模式运行;在其中加入少量的DTBP后,RON90实现HCCI燃烧的工况范围向低温低负荷下大幅度拓展．各种燃料的HCCI燃烧冷焰反应发生在850K左右,到950K结束,进入负温度系数区(NTC),在1125K左右突破NTC区而发生热着火．随DTBP含量增加,系统温度达到冷焰反应和热焰反应的化学时间尺度缩短,因此着火时刻提前,燃烧持续期缩短,特别是提高了低负荷下的燃烧速率．添加剂使各种当量比下未燃碳氢(UHC)和一氧化碳(CO)排放显著改善,NOx排放也保持在很低的水平．