汽油燃料替代物超临界燃烧的动力学机理构建及多维数值模拟研究

发布时间：2020-06-11 06:38

【摘要】：缸内直喷汽油机(GDI)以精确控制喷油时刻和喷油量,有利于改善汽油机燃油经济性等优点逐步取代了进气道喷射(PFI)技术,成为了现在汽油机的主流技术。但GDI的颗粒物排放在数量和质量上都大于PFI汽油机,为了有效的降低颗粒物的排放水平,超临界燃烧技术被提出。研究表明,超临界流体具有黏度低、扩散系数大等优点。汽油燃料超临界燃烧能有效的降低颗粒物排放水平,是实现高效、清洁燃烧的有效途径之一。本文构建了适用于超临界条件下的汽油替代燃料化学动力学机理,将所构建的机理与CONVERGE软件中的计算模型耦合,并且通过调整喷油策略的方式对比分析了汽油燃料超临界燃烧与亚临界燃烧的区别,为超临界燃烧技术的研究提供参考。本文在本课题组构建的汽油四元替代燃料化学动力学模型的基础上,通过修改关键反应的指前因子及关键反应的添加,得到了一个适用于超临界工况下的四元机理。该机理包含113个组分以及201个反应,关键反应是通过对机理进行反应路径分析以及温度敏感性分析而得到。采用超临界条件下汽油四元替代燃料、不同比例的三元替代燃料(Surrogate A、Surrogate B)以及单一组分(异辛烷、正庚烷、甲苯)燃料的着火延迟数据对本文机理进行了验证,结果发现模拟结果与实验结果基本吻合,该机理能有效的预测各组分着火延迟时间随缸内压力、温度的变化。接着依据某GDI发动机几何模型分别建立了网格尺寸为4mm,2mm,1mm的计算模型,对气缸中速度梯度以及温度梯度较大的位置采用了自适应加密技术。从缸内平均压力以及缸内平均温度两方面进行了网格无关性验证,确定了后续计算尺寸为2mm。此外通过缸内压力实验数据验证了本文所选模型的有效性。然后将三维计算模型与适用于超临界汽油燃料燃烧的化学动力学模型耦合对直喷汽油机超临界燃烧特性展开了研究,为了进一步说明超临界与亚临界燃烧的区别,笔者还通过更改喷油策略的方式模拟了直喷汽油机亚临界喷射、燃烧过程。结果表明:超临界汽油燃料与空气混合较好,燃烧更加充分,其累积放热量、缸内的温度及压力峰值均高于亚临界燃烧。此外,超临界燃烧能显著的降低尾气中的碳烟以及CO排放量。相对亚临界来说,碳烟排放量减少了87%;CO排放量减少了86%。但是超临界燃烧更加充分,缸内局部温度较高,导致NO_X排放量也相应增大。最后,为了探究不同的初始条件对于超临界燃烧的影响,笔者对比了不同进气温度以及进气压力条件下缸内的燃烧及排放特性。结果表明:进气压力增大,燃烧后的平均压力升高、平均温度降低;缸内的碳烟排放量增大;NOx以及CO的排放出现一个先增大后减小的趋势。进气温度增大,燃烧后缸内平均温度增大,压力峰值无明显的变化;碳烟以及CO的排放量降低,但是NOx的排放增大。
【图文】：

纯物质,超临界,流体

）的流体图1.1 纯物质的P-T相图[13]Fig. 1.1 P-T phase diagram of pure substance在给出超临界燃烧的定义前，首先需要讨论超临界喷射的概念定义燃油喷射压力及温度分别为 Pinj Tinj，环境压力及温度分别为 Penv Tenv 国内外学者已经对超临界喷射进行了一定的研究，根据流体及环境条件所达到的状态将超临界喷射过程分为如图 1.2 中所示的四种情况[15]，，分别为：超临界流体喷射到温度压力均高于流体临界点的环境中，即Pinj>Pc Tinj>Tc

超临界,流体喷射,临界压力,压力

重庆大学硕士学位论文力低于临界压力的流体喷射到温度压力<Pc Tinj>Tc Penv>Pc Tenv>Tc 力高于临界压力的流体喷射到温度压力>Pc Tinj<Tc Penv>Pc Tenv>Tc 温度或者压力低于喷射流体临界点的环境Tenv<Tc或Pinj>Pc Tinj>Tc Penv<Pc Tenv
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK421

【参考文献】