LNG-柴油替代物模型及其化学动力学机理研究

发布时间：2020-07-20 10:36

【摘要】：受到愈渐严格的排放法规的影响,LNG-柴油双燃料发动机得到了越来越多的重视。近年来关于LNG-柴油双燃料发动机的试验和模拟研究都已有不少,但LNG-柴油混合燃料化学动力学机理的不足,制约了LNG-柴油双燃料发动机模拟研究的发展。LNG和柴油都是非常复杂的混合物,无法直接构建LNG-柴油混合燃料化学动力学机理。因此,本文通过构建替代物的方式研究其机理。首先根据真实LNG组分含量,构建了甲烷/乙烷/丙烷三组分LNG替代物模型;接着选取能代表柴油四种组分的四种物质并耦合真实柴油的H/C比、十六烷值和低热值,构建了正十二烷/异辛烷/环己烷/甲苯四组分柴油替代物模型;最后将两者组合,构建了一个甲烷/乙烷/丙烷/正十二烷/异辛烷/环己烷/甲苯七组分LNG-柴油替代物模型。本文利用DRGEP法提取USCⅡ机理中的丙烷氧化机理,并将其添加到TJ机理中,该机理中包含了甲烷、乙烷、丙烷、正十二烷、异辛烷、环己烷和甲苯的子机理,文中记为WUT机理。本文利用单组分的着火延迟时间和重要组分浓度对该机理进行验证,发现该机理能较好预测各组分的着火延迟时间及其燃烧过程中的重要组分浓度变化。在CONVERGE软件中将该机理耦合CFD,构建了一个LNG-柴油双燃料发动机综合燃烧计算模型,并用Z6170双燃料发动机试验数据对该模型进行验证。发现该模型能较好预测双燃料发动机缸内压力的变化,同时也能较好预测NO_x排放,因此认为该模型是可靠的,同时也说明了本文构建的WUT机理能较好预测混合物缸内燃烧过程。利用该双燃料综合燃烧计算模型开展了LNG-柴油双燃料发动机模拟研究,探究了柴油组分对双燃料发动机燃烧特性和排放的影响。通过比较不同组分比例下双燃料发动机的缸压和放热率,发现组分摩尔含量变化9%时,组分变化对双燃料发动机燃烧特性影响不大。此外,通过提出敏感度S这一参数,比较了组分的变化对双燃料发动机排放结果的影响。结果表明:在本文研究条件下,各物质在不同替代率下的敏感度不尽相同,说明组分对于双燃料发动机排放的影响会随着替代率的改变而变化。但是总的来说,甲苯对双燃料发动机HC排放和CO排放的影响较大,正十二烷对双燃料发动机NO_x排放的影响较大。综上,在双燃料发动机模拟研究过程中,通过调节替代物组分比例,可以在保证模型对燃烧特性预测的准确性的同时,提高模型的排放预测准确性。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK421
【图文】：

技术路线图,技术路线,化学动力学机理,替代物

（1）调研 LNG-柴油混合燃料物理化学性质，初步选定构建替代物的目标参数及组分，据此构建 LNG-柴油双燃料替代物模型。（2）根据替代物组分，开展化学动力学机理调研，收集相关组分燃料的化学动力学机理，根据分层构建法和半解耦法等机理构建方法，构建 LNG-柴油替代物化学动力学机理。（3）使用 CHEMKIN 软件开展 LNG-柴油替代物基础燃烧模拟研究，得到燃料的重要基础燃烧特性参数（着火延迟时间和重要组分浓度），并与试验结果对比，验证所构建的机理对替代物中各组分燃烧过程预测的准确性。若模拟结果与试验结果一致性不好，说明构建的化学动力学机理不合理，则开展化学动力学机理优化工作，使模拟结果与试验结果能较好吻合；若模拟结果与试验结果一致性较好，则说明机理可准确预测替代物各组分燃烧过程。（4）在 CONVERGE 软件中，用经过基础燃烧数据验证的化学动力学机理耦合 CFD 构建 LNG-柴油综合燃烧计算模型，并开展 LNG-柴油双燃料发动机模拟，并将模拟结果与实际双燃料发动机的台架试验数据相对比，若模拟结果与

破碎模型

双燃料发动机直喷过程中，燃料的变化包括和天然气的混合过程。在 CONVERGE 软件物理现象建模以实现对燃料缸内喷射及雾化本文的破碎模型为KH-RT[54]破碎模型，如和 RT 模型，体现了 KH 表面波和 RT 扰动过程。KH 破碎模型描述了喷嘴近端 A 区的但是喷嘴口处的燃油的黏度仍较大。超过破，通过 RT 模型与 KH 模型的相互作用来预测

柴油,主要成分

验过程中所使用的实际燃料来确定。所用 LNG 中，甲烷、乙烷和丙烷的含量（摩尔比）分别为 32%。将这三种物质的含量等比扩大到和为 1 后，得到本文 LN含量比为：甲烷（CH4）97.97%、乙烷（C2H6）1.70%和丙烷替代物组分选择及其比例的确定代物组分选择一种复杂的混合物，其组分有成百上千种，主要包含直链烷烷烃和芳香烃这四类物质，如图 3-1 所示。在选择柴油组分时分种类能涵盖柴油的这四类组分。同时，考虑到计算机性能能性，选择的组分数量不宜过多。因此，本文选择从这四类取一种物质作为柴油替代物的组分，构成一个柴油四组分替

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