在未來的運輸業(yè)中,擁有高熱效率低排放的發(fā)動機仍占主導地位。研究小組在低溫燃燒(LTC)的基礎上提出了幾種先進的燃燒模式。這些策略進一步分為均質壓燃(HCCI)、反應活性控制壓燃(RCCI)、汽油壓燃(GCI)和部分預混燃燒(PPC)。這些策略試圖通過采用不同的方式來提高熱效率以及減少污染物排放。本研究的主要目的是開發(fā)和驗證含有柴油和汽油替代物的化學動力學機理,用于雙燃料RCCI燃燒模式的數值研究,利用所開發(fā)的化學動力學機理來研究RCCI的燃燒特性。分離和評價單組分和多組分替代燃料的化學物理性質的影響,了解化學反應動力學和物種相互作用以及化學動力學中多組分替代物與單組分的區(qū)別。研究包含了滯燃期靈敏度和化學反應路徑分析。反應活性控制壓燃模式(RCCI)使用兩種具有不同反應活性的燃料來實現LTC。在這種燃燒模式中,低活性的燃料是進氣道噴射,另一種高活性燃料是缸內直接噴射。其燃燒由反應梯度控制,通過控制直接噴射的高反應性燃料來控制燃燒。通過對RCCI模式的大量研究表明,它有替代柴油燃燒的潛力,因為其熱效率接近柴油燃燒甚至有更高的效率。此外,它具有接近零的NOx和煙塵排放。研究人員深入研究了不同變量對RCCI效率的影響,以進一步優(yōu)化RCCI的性能。然而,RCCI試驗的燃料設計和控制既昂貴又費時,因此當前的研究重點集中在一個多組分化學機理研究,它包括兩個基本機理,然后是廣泛的驗證,以及它在RCCI燃燒模式中的應用,從而更好地預測燃燒特性。這兩個替代物是TRFDIB(甲苯二異丁烯標準燃料),有131個種類和570個反應和T15+CH5(正十二烷)的機制,由167個種類和671個反應組成�；瘜W動力學是物理化學的一個分支。在這一分支中,研究了化學反應中的基本反應機理和反應速率。在微觀層面上,簡單的化學反應實際上是通過多步基本反應完成的。因此,描述微觀基本反應的化學動力學被定義為反應機理。反應機理包含一個或多個基本反應,具有相應數量的反應分子和速率方程,加成反應和后續(xù)反應的凈值應該與表觀化學反應相同�；痉磻兴姆N:消除、加成、重排和取代�；瘜W反應的速率被定義為化學反應速率,通常通過每單位時間反應物濃度的降低或產物濃度的增加來表示。化學反應速率主要受以下因素影響:(Ⅰ)外部因素包括:溫度、壓力、濃度、催化劑、X射線、激光、自然光。(Ⅱ)反應物本身的性質包括反應物之間的接觸面積、反應物的大小、固體物質的表面積、反應物的狀態(tài)、反應物的濃度、反應物的接觸面積等�；瘜W反應平衡是DEFI。NED作為恒定的反應條件(如溫度、壓力和反應物的濃度)。在可逆化學反應中,化學反應的逆速度等于正速率,反應物和產物組分的濃度在宏觀方面不隨時間變化。當化學反應的吉布斯自由能G達到最小值時,表示反應達到平衡。雖然詳細的機理在化學動力學中具有良好的預測精度,但相對于CFD中使用的簡化機制而言,該模型過于復雜。即使與RANS計算模型耦合,計算量也很大。當大尺度的化學反應機理與CFD計算結合時,化學動力學計算時間和資源占總計算時間和資源的80～90%。隨著計算科學的發(fā)展和計算能力的增強,耦合CFD的詳細機制有可能實現,人們逐漸把他們的興趣轉向更精確的LES(大渦模擬)和DNS(直接數值模擬)�；瘜W動力學與CFD耦合,這將導致整體計算的大幅度增加。因此,即使未來的計算能力能大大提升,但仍然需要有良好預測能力的簡化機理來耦合CFD計算,從而節(jié)約成本和節(jié)省時間。因此,仍然需要研究在可接受的范圍內適當地減少反應物種和反應數量的簡化化學機理。本研究的目的是提出一種雙燃料的多組分化學反應機理,可以用于研究RCCI,雙燃料和低溫燃燒(LTC)的概念。通過對相關文獻進行調研發(fā)現,近來還沒有針對相關類型的研究,尤其是在RCCI燃燒這一特殊領域。最后,通過上述兩種機理,對能夠模擬汽油和柴油的反應機理進行了整合。所整合的機理有168種組分,680種反應。該機理適合于數值模擬研究的需要,因此不需要進一步的簡化。此外,由于在先前的研究中已經對這兩種機理進行了驗證和應用,因此本文并未對其進行敏感性分析。本文研究分別涉及柴油的一種和汽油的兩種替代物成分。從文獻中得到的柴油的替代組成主要有由81%(體積分數)的正十二烷、14%甲苯和5%正己烷(T15+CH5(正十二烷))混合而成。而汽油的一種替代物組成由55%異辛烷、15%正庚烷、20%甲苯和10%DfIB(TRFDIB-1)混合而成。第二種汽油的替代物組成包括25%異辛烷、20%正庚烷、45%甲苯和10%DIB(TRFDIB-2)混合而成。替代物成分將在描述RCCI燃燒特性研究的部分中使用。有關汽油和柴油替代物的試驗數據已被用于驗證所提出的機理。試驗數據包括激波管點火延遲期、層流火焰速度和火焰種類分布。為了進一步驗證其準確性,該機理被用來預測臺架試驗中燃燒和排放的試驗數據。除了化學反應之外,還需要密切描述輸運過程,以確�；鹧嫣匦缘木_預測。因此,本文在CHEMKIN程序中進行了相應的仿真模擬工作,采用穩(wěn)態(tài)火焰的火焰模擬器模型進行了驗證工作。本文模擬工作的邊界條件、初始條件源自馬帥營的博士論文。試驗使用汽柴油雙燃料,其中汽油是氣道噴射,柴油缸內直接噴射。試驗研究了在不同EGR條件下的早期和晚期、單次和雙次噴射策略。所有試驗中發(fā)動機的轉速均為1500轉/分鐘(±2轉/分鐘)。本文研究在其試驗基礎上選擇了一個代表性的算例。所有模擬RCCI條件的算例都是在CONVERGE程序中進行的。模擬從進氣門關閉(-133°ATDC)到排氣閥開啟(125°ATDC)。在模擬中發(fā)動機的壓縮比為16:1。選擇單次早噴(SOI=-30°ATDC)的算例來檢測發(fā)展機理模擬預測的準確性。選擇這種該工況的原因是較長的點火延遲期會形成均勻的混合物。此外,通過該策略,可以實現低NOx和碳煙排放。汽油的替代物是以異辛烷為主要成分(體積比為55%),其次是甲苯(20%),之后是正庚烷(15%)和DIB(10%)。柴油替代物主要由正十二烷(體積比為81%),甲苯(14%)和正己烷(5%)。在Fikri等人的第二代替代物成分中,只有汽油中的組分比例發(fā)生變化。甲苯的比例增加到45%,其次是異辛烷的量減少到25%。在第三代替代物組分中,汽油替代物中還原為三組分,以60%辛烷值為主,其次是甲苯(25%)和正庚烷(15%)。所有這些替代物組分在不同的工況下下研究,選擇它們的原因可以耦合到應用部分中描述的預測結果。為了對新發(fā)展的機理進行深入的研究,本文設置了幾組算例。所有算例的設置都是基于一個前提,即分別研究每種替代物,汽油和柴油,的物理和化學特性的預測能力。在一些算例中,物理性質保持不變,化學性質發(fā)生了變化。同樣地,在其它算例中,物理性質發(fā)生改變,但保持化學性質不變。還有一系列算例中,汽油和柴油的物理性質均保持不變,但化學性質發(fā)生變化。例如,在一種算例下,選用異辛烷的物理和化學性質為汽油物化性質。而對于柴油,則選用正庚烷的物理性質和T15+CH5(正十二烷)的化學性質。此外,每種替代物成分,汽油和柴油,的化學和物理性質也被交替地改變。同樣,在某一算例下,首先用單組分表示物理和化學性質,然后在接下來的算例中用多組分表示。這樣做是為了清楚地理解將使用多組分機理得到結果的差異,以及增加機理的復雜性如何影響數值預測。在研究開始設置的基準算例中,使用一種組分作為柴油和汽油替代物。柴油的替代物為正庚烷,汽油則選用異辛烷。模擬結果表明,新機理可以較好的預測缸內壓力變化,但與試驗比較,壓力上升趨勢的相位相對滯后。導致這一問題的原因在于缸內的放熱過程。低溫放熱階段(LTHR)偏高,而高溫放熱階段(HTHR)偏低,導致放熱率趨勢不準確。因此,對基準算例的研究表明,使用單組分替代物用于汽油和柴油不足以預測試驗結果�；诖�,將汽油的化學性質由基準算例中的異辛烷相改為TRFDIB-1后發(fā)現較高的缸內壓力,但在預測整個曲線輪廓方面表現較好。LTHR階段的預測準確,但以更高的HTHR階段為代價。在這種情況下,放熱率預測的也較好。比較表明,改變汽油的化學性質在一定程度上改善了模擬結果的準確性。在第二個算例中,柴油替代物的化學性質從基準算例使用的正庚烷改為T15+CH5(正十二烷)。通過當前機理可以較準確地預測缸內壓力。該機理對LTHR和HTHR階段的預測也取得了很好的效果。曲線總體趨勢表明使用單一組分替代汽油的方法是不可取的。這進一步表明,使用多組分替代物來代表汽油和柴油的化學性質可以給出更準確的結果。然而,在第三個算例中,選用第一種替代物成分中的多組分替代物表示汽油和柴油的化學性質。結果得到與算例1相同的高放熱率曲線的問題,這意味著在汽油替代物中存在一些問題。因為在以前的算例中,不采用汽油替代物,總體預測結果較好。在第4個算例中下,汽油的化學和物理性質用異辛烷表示。Tetradecane(C14H30)用于表征柴油的物理性質和T15+CH5(正十二烷)的化學性質。這種組合在預測氣缸內壓力方面表現得非常好,僅在預測精確輪廓方面略微不足。在放熱率方面,LHTR和HTHR都得到了很好的預測,但唯一的問題是預測放熱率的趨勢。正如之前所解釋的,這很可能是由于該汽油的代替燃料是單組份的。算例5展示了作為柴油化學性質替代品的多組分燃料的改進。在算例6中,多組分燃料不僅在物理和化學性質上替代了柴油,而且也能夠代替汽油。壓力和放熱率曲線的趨勢符合得非常好,可惜它仍然對缸內壓力和高溫燃燒放熱率HTHR預測過高。這三個算例被設計為針對前三個算例中與汽油替代物相關的問題。為達到目的,汽油的第二套組成成分Trfdib-2被采用,將甲苯的體積分數增加到45%,相應地,異辛烷的體積分數減少到25%。同樣,柴油的化學性質依然和算例2一樣,由T15+CH5(n十二烷基)代替。由于柴油替代燃料的性能很好,所以組成成分沒有改變。結果表明,缸內壓力與試驗結果非常接近,總體趨勢也非常良好。類似地,高溫燃燒放熱率HTHR相比之前的結果,預測得更好,甚至再現出良好的整體放熱率趨勢。通過改良替代燃料組成成分,可以顯著提高反應機理的整體預測能力。因此,在6N算例中,替代汽油化學和物理性質的單一組分已經被表現更好的TRFDIB-2取代,因此。類似地,柴油的物理性質也可以用T15+CH5(正十二烷)代替。單組分與多組分燃料替代物已表現出明顯的差異。壓力曲線捕捉得很好,并且與試驗結果近乎相等。在放熱過程中,LHTR和HTHR在試驗范圍內的結果相比,趨勢的預測得到了改善。為了進一步改善結果,已經在研究第三種替代燃料。在該組成成分中,汽油替代物已改為TRF25,而柴油替代物未被改變。之所以改變組成成分,原因是預測LTHR有點滯后。這項研究,預期將進一步改進替代汽油的多組分機理。這兩個方案的設計將以算例五作為基準。柴油機的多組分機理幾乎可以準確地預測結果,準確地捕獲缸內壓力,以及整體曲線。類似地,與之前任一算例相比,LTHR也被捕獲得很好。同時,HTHR也與試驗結果吻合較好。這些結果確定了在本研究中開發(fā)的多組分替代反應機理值得進一步發(fā)展。用多組分代燃料T15+CH5(正十二烷)代替柴油的物理性質,用單組分替代物NC7H16代替柴油的化學性質,更好地預測了NOx排放。利用單一組分IC8H18,替代汽油的物理和化學性質。將以上算例按照對NOx預測的精確程度順序,依次為算例2算例5算例3N算例6N算例7N基準算例。在所有算例中,碳煙排放量都預測得過高,這表明一種可以預測所有燃燒特性的機理仍然需要發(fā)展。與其他算例相比,算例2P的過度預測最少。本例采用多組分替代物T15+CH5(正十二烷)表示柴油的物理性質,單組分C14H30表征柴油的化學性質。同時用單一組分,IC8H18,代替汽油的物理和化學性質。上述算例可按碳煙排放量最高的順序排列,算例6N算例3N算例7N基準算例算例2算例5。根據這項研究,情況2P可以被認為是預測RCCI燃燒特性的總體最佳替代物。化學分析表明,多組分替代物能產生更高活性的OH和CH20自由基,從而提高低溫燃燒性能。甲苯和CHX的存在抑制了多組分替代物中異辛烷和正庚烷的轉化率。CHX也是消耗柴油替代物中的OH的主要成分,這似乎有利于控制低溫放熱,在單組分替代燃料,含量會更高。異辛烷反應路徑導致單組分燃料中的OH生成反應,而在多組分燃料中,甲苯的反應路徑產生大部分OH自由基。CA5下單組分和多組分代用燃料的消耗反應路徑表明,除CHX外,所有組分在與HO2反應形成烷基自由基R.后被H提取所消耗。烷基自由基然后產生大部分中間產物,包括由于低溫(LT)分支產生的產物。前四個物種的LT反應是通過加入氧來形成活性加合物,RO2。然后,該加合物經歷異構化以形成氫過氧化烷基,QOOH。QOOH自由基再次發(fā)生氧形成O2QOOH自由基,在下游分解生成OH。這些LT反應是活性基團OH的主要貢獻者,反應池中,顯然,在多組分替代燃料中產生更多的這些自由基。CH20、甲醛,作為R(C4-C1)分解生成的產物,是燃燒過程中的又一關鍵成分。在CA50處的單組分和多組分反應路徑顯示出了這一點,由于高溫分解,導致了這些產物形成。正庚烷的消耗量差別不大,但對異辛烷的影響很明顯。這種異辛烷慢速轉化的可能原因是OH的消耗成分甲苯,在汽油替代組成成分中的量。另一個明顯的區(qū)別是異辛烷的路徑,在多組分代用燃料中主要通過脫H消耗。然而,在單組分替代物中,它被分解用于形成AC4H9和BC4H9。甲苯,于在CA5出不同,產生促進高溫的酮基(HCCO),是燃燒過程中重要的中間產物。通過引入更多的成分,在多組分替代物的情況下,反應自由基的總濃度增加。與單組分替代物相比,這又導致了系統反應性的改進。另一個顯著區(qū)別是自由基在多組分燃料中的整個燃燒階段的均勻分布。單組分替代燃料的OH質量分數在-15和-10°CA之間較高,這增強了反應性,導致更多的LTHR。其原因可能是柴油替代物中CHX的存在,消耗OH自由基控制低溫下的放熱。類似地,較高濃度的OH自由基增強了多組分替代燃料中的HTHR,而在單組分燃料的中,OH較低。HO2和CH3是導致反應池中OH自由基形成的兩個重要自由基。HO2促進產生OH的反應,CH3還與HO2結合,通過反應CH3+HO2=CH30+OH生成OH。在反應池中的這些自由基的高濃度也有助于提高多組分代用燃料中的總OH濃度。在CA5多組分燃料對H2O2(H2O2+M=20H+M)的分解反應顯示出最高的正靈敏度,因此,是多組分替代物點火后OH自由基的主要來源。產生OH的C6H5CH2(C6H5CH2+H02=C6H5CH20+OH)的氧化反應也有利于OH的生成,它是在甲苯經歷H-提取反應后通過消耗HO2和OH自由基而形成的,從而減緩了化學活性。單組分和多組分代用燃料CA50的敏感性比較結果表明,在發(fā)動機運行的這一點上,HO2(2HO2=H2O2+O2)的分解反應在單組分代用燃料中表現出最高的正靈敏度,其次是H(H+02=O+OH)的氧化反應。該OH產生反應在多組分替代燃料中顯示最高的正靈敏度,但在該特定點仍然小于單組分替代燃料。類似地,H2O(O+H2O=20H)的氧化反應是多組分燃料中具有較高靈敏度的另一種OH生成反應。此外,向丁烷中添加氧(IC4H7+H02=IC4H70+OH)僅在單組分替代燃料中產生OH。HO2(HO2+OH=H2O+O2)加氫對單組分和多組分燃料的負靈敏度系數最高。其次是H2O2(H2O2(+M)=20H(+M))的分解,在這一點上,對于具有兩個以上反應的單組分的燃料來說,這兩個燃料也表現出負靈敏度�？偟膩碚f,消耗OH的反應在單組分燃料中具有更高的靈敏度。此時CO的另一個重要反應是CO(CO+Oh=CO2+H)的氧化,因為CO2與自由基H一起生成OH,提高了整個反應性,并且是燃燒過程中的主要產熱反應。此外,多組分替代燃料反應中CO2的總產生率的要更高。關于這一點,我們聯想到放熱率,由此,將比多組分替代燃料的放熱率更高。更重要的是,更高的EGR率下,CO2會較EGR率低的情況,轉化OH基,這會加強水的產生,并且使得點火延遲時間更短。由于這兩點原因消耗OH、O2和CH3的反應降低了總的反應性,并對點火產生負面影響。此外,這里必須提到的是,EGR的使用可能使燃料組分的NTC(負溫度系數)明顯,并且根據低NTC成分對點火過程有積極的影響。否則,它們會對替代燃料的氧化過程產生負面影響。此外,需要進一步研究,才能明確EGR對點火正時的影響正確排序,至少到目前為止,還不清楚。因此復雜的化合物耦合EGR在實際發(fā)動機應用,也是一個具有挑戰(zhàn)性的任務。
【學位單位】：天津大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TQ511
【文章目錄】：
中文摘要
ABSTRACT
List of Acronyms
Chapter 1: Introduction
    1.1. Motivation and background
    1.2. Research objectives
    1.3. Research methods and tools
Chapter 2: Literature Review
    2.1. Gasoline and diesel surrogate mechanisms
    2.2. Low temperature combustion （LTC） strategies
    2.3. Reactivity Controlled Compression Ignition （RCCI）
Chapter 3. Chemical mechanism development and validations
    3.1. The theoretical basis of chemical kinetics
    3.2. Methods to reduce chemical mechanism
    3.3. Assessment of diesel surrogate
    3.4. Assessment of gasoline surrogate
    3.5. Integration of skeletal mechanisms
    3.6. Validation of developed mechanism
        3.6.1. Ignition delay validations
        3.6.2. Validations of laminar flame speeds
        3.6.3. Validations of flame species
        3.6.4. Kinetics of species in jet stirred reactor （JSR）
Chapter 4. Methodology for numerical investigation
    4.1. Experimental setup
    4.2. Modeling setup
    4.3. Surrogate formulations
    4.4. Proposed numerical cases
    4.5. Application in an RCCI engine
        4.5.1. In-cylinder pressure and heat release rates （HRR）
        4.5.2. NOx and soot emissions
Chapter 5. Chemical kinetics analysis
    5.1. Sensitivity analysis
    5.2. Consumption Reaction Pathways
Chapter 6. Conclusions
References
ACKNOWLEDGEMENTS

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本文編號：2881630