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.     

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．     

正庚烷甲苯混合物燃烧简化机理分析

提出了一个新的包括多环芳香烃(PAH)生成的正庚烷/甲苯混合物燃烧化学动力学简化机理.该机理包括64种物质,120个反应,与激波管内滞燃期实验结果吻合较好.在不同进气氧体积分数下,使用该机理对柴油机缸内燃烧过程进行了计算,其结果与缸内的实验结果吻合良好.通过机理的敏感性分析发现,PAH的重要前驱物乙炔主要是由甲苯反应路径中的C6H5及C6H4O2生成,说明在正庚烷中加入甲苯会对模拟柴油的燃烧特别是碳烟的生成有很大的影响;过氧化氢自由基HO2和羟自由基OH在甲苯、正庚烷的分解反应及小分子烃的裂解和氧化反应中都起着非常重要的作用.     

一个新的适用于HCCI燃烧及排放研究的PRF燃料化学反应简化机理

提出了一个适用于HCCI燃烧过程研究并能考虑重要排放物的基础燃料简化动力学机理,包含42种物质,62个反应.简化机理与激波管试验以及详细机理在理论当量比,温度范围667～1 250 K,不同基础燃料配比(PRF100、PRF90、PRF80、PRF60、PRF0)下对滞燃期的预测较为吻合.与快速压缩机试验对比表明,简化机理对PRF90燃料在不同当量比及不同初始温度下对滞燃期的预测较为准确.与HCCI发动机试验对比表明,简化机理在不同基础燃料配比下(PRF90、PRF75、PRF50、PRF25)对滞燃期的预测较为准确.敏感性分析表明,针对PRF75燃料HCCI燃烧情况,更多正庚烷反应影响低温着火进程,更多异辛烷反应影响高温着火进程,异辛烷的烯烃裂解反应对着火速率的影响很大.     

边界条件对正庚烷均质压燃燃烧过程的影响

应用零维详细化学反应动力学模型,对不同边界条件下正庚烷（n—heptane）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,得出了以初始温度和燃料当量空燃比这两类边界条件为函数,压缩比为17,转速为1400r／min的HCCI全工况解。结果表明：HCCI燃烧分为完全燃烧区域、低温反应和蓝焰反应区域、仅发生低温反应区域和失火区域;不发生热焰反应的关键是反应H＋O2=O＋OH进行程度浅,不能生成足够的OH自由基使CO氧化成CO2;蓝焰反应也不发生而仅发生低温反应的关键是H2O2分解反应的进行程度浅,H2O2只有在缸内温度达到1000K时才能快速分解,这就不能生成足够的OH自由基使甲醛转化成CO2低温反应和蓝焰反应区域是高CO排放区,仅发生低温反应的区域是高甲醛排放区。     

预混合比例实时优化控制正庚烷复合HCCI燃烧

在一台单缸柴油机上试验研究了预混合比例对正庚烷复合HCCI燃烧的影响,并在各个负荷下实现预混合比例的优化控制.结果表明:复合HCCI燃烧呈现三阶段放热模式,并且随着预混合比例的增大,复合HCCI燃烧第2阶段高温反应着火提前,燃烧持续期缩短,第3阶段扩散燃烧滞燃期缩短,同时缸内最高压力和最大压力升高率均升高.复合HCCI的NOx排放与直喷相比显著降低,且随预混合比例的增大先降低后升高.同时,复合HCCI的CO排放随预混合比例增大先增大后减小,而HC则随预混合比例增大而增大.通过预混合比例优化控制,复合HC-CI燃烧能够显著拓展负荷范围,并且保持较高的热效率.     

进气温度对正庚烷HCCI燃烧特性影响研究

在一台燃烧边界条件可控的快速压缩机上对均质压燃燃烧方式(HCCI)下进气温度对燃烧特性的影响进行了研究.以正庚烷燃料为研究对象,在不同的进气温度条件下,通过对燃烧始点、燃烧持续期、燃烧放热率等参数的分析,得出了进气温度对HCCI燃烧特性的影响规律.试验结果表明:随着进气温度的升高,燃烧始点提前,燃烧持续期缩短,最高燃烧温度升高,放热率最大值增加.     

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。     

正庚烷部分预混燃烧下多环芳烃生成的简化机理

采用反应流与敏感性分析方法对小分子烃类燃料预混燃烧下多环芳烃生成的详细机理(101种组分,544个基元反应)进行了简化,得到了包括52种组分,83个基元反应的简化机理.采用该简化机理对乙烷预混燃烧下多环芳烃的生成规律进行了数值计算.结果表明,采用该简化机理计算得到的反应物与部分生成物摩尔分数的变化趋势与实验值基本吻合;在该简化机理上加入正庚烷分解和氧化的主要反应(27种组分,36个基元反应),构成了庚烷火焰中多环芳烃生成的简化机理(62种组分,1 19个基元反应);同时对该简化机理在正庚烷部分预混燃烧下多环芳烃的生成规律进行了数值计算,结果表明,采用该简化机理进行计算时所得到的温度分布、主要反应物与部分生成物的摩尔分数的变化趋势与实验值基本吻合.     

微种群遗传算法在HCCI燃烧模型动力学参数标定中的应用

介绍了一种新兴的高效全局寻优方法——微种群遗传算法,并采用该方法,同时结合CHEMKIN化学动力学软件中的SENKIN模块以及发动机零维单区模型,对新发展的正庚烷化学反应动力学简化模型(40种组分,62个反应)中的7个动力学参数进行了标定．模拟结果表明,标定后的简化动力学模型在当量比0．1～1．3,温度300～3000 K的范围,对着火时刻的预测与详细模型(544种组分,2 446个反应)吻合较好．     

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。     

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。     

二甲醚均质压燃发动机燃烧特性的研究

二甲醚均质压燃发动机由一台单缸柴油机改造而成,其压缩比为10．7。二甲醚气体随进气进入气缸,形成均质混合气。通过试验采集分析缸内压力,结果表明二甲醚均质压燃燃烧是一个两阶段放热过程,分别发生在610K和900K左右。第一阶段放热量较少,约占10％,正常情况下第二阶段集中在上止点附近,释放出70％以上的燃料热量。发动机负荷对最大缸压力及其出现位置、压力升高率和放热率曲线形状等都有重要影响,而发动机转速对它们的影响比较小。     

均质压燃(HCCI)单区和多区燃烧模型的比较

利用耦合化学动力学软件包CHEMKIN建立了汽油HCCI发动机的单区和多区燃烧模型。与试验数据的对比表明：虽然单区模型在参数化研究中能较准确地预测混合气的自燃定时,但其准确性在很大程度上取决于缸内的均匀性;包含缝隙区、淬熄区、质量交换区和绝热核心区的九区燃烧模型通过设置特定的功能分区能更好地模拟HCCI的燃烧过程,它在对自燃定时的预测和对热量释放过程和排放物的形成机理的模拟等方面都有很好的性能。     

乙醇燃料HCCI发动机燃烧特性研究

应用调整进排气门相位控制缸内残余废气率策略,在Ricardo Hydra四冲程进气道喷射单缸试验机上实现了无水乙醇燃料的均质压燃,获得了运行工况范围,并分析研究了空燃比、转速和气门相位对乙醇燃料均质压燃的燃烧特性。结果表明:乙醇燃料的均质压燃的可运行范围仍然受到爆震、换气过程及失火的限制,但在高速及稀燃区域得到拓展;其着火时刻及燃烧持续期依赖于气门定时、空燃比及转速。     

高辛烷值燃料HCCI燃烧特性的变参数研究

构建了一种高辛烷值燃料与空气压缩自燃反应机理(89种组分,413个反应)。用在快速压缩机上获得的试验数据对它进行了验证,考察了机理的有效性。然后将其嵌入内燃机模型,在CHEMKIN平台上对这种燃料的HCCI燃烧特性进行了变参数的数值模拟,研究了进气温度、进气压力、空燃比、压缩比、转速和EGR等因素对燃烧特性的影响,同时预测了缸内反应物、生成物、自由基浓度随曲轴转角变化的历程。计算结果对燃用高辛烷值燃料HCCI发动机燃烧过程的优化提供了依据。     

适用于柴油HCCI燃烧的碳烟半经验模型研究

将改进的碳烟半经验模型和简化正庚烷的化学反应机理纳入KIVA-3V程序中,以描述柴油燃烧过程中碳烟的生成和氧化历程。通过以正庚烷为燃料的激波管试验验证发现,在较宽的温度和压力范围内,该碳烟半经验模型可以相对准确地预测碳烟的生成率、颗粒直径和数密度。在定容燃烧器中典型的传统柴油机的扩散燃烧和接近于均质压燃(HCCI)发动机的预混燃烧状况下,应用此碳烟模型进一步研究了喷孔直径和喷射压力对碳烟排放的影响。结果发现模型预测得到的碳烟体积分数分布与试验吻合得较好,同时显示当控制局部当量比小于2.0时可以避免碳烟的生成。