柴油汽油多组分替代物反应可控压燃（RCCI）的数值研究

发布时间：2020-11-13 03:06

　　 在未来的运输业中,拥有高热效率低排放的发动机仍占主导地位。研究小组在低温燃烧(LTC)的基础上提出了几种先进的燃烧模式。这些策略进一步分为均质压燃(HCCI)、反应活性控制压燃(RCCI)、汽油压燃(GCI)和部分预混燃烧(PPC)。这些策略试图通过采用不同的方式来提高热效率以及减少污染物排放。本研究的主要目的是开发和验证含有柴油和汽油替代物的化学动力学机理,用于双燃料RCCI燃烧模式的数值研究,利用所开发的化学动力学机理来研究RCCI的燃烧特性。分离和评价单组分和多组分替代燃料的化学物理性质的影响,了解化学反应动力学和物种相互作用以及化学动力学中多组分替代物与单组分的区别。研究包含了滞燃期灵敏度和化学反应路径分析。反应活性控制压燃模式(RCCI)使用两种具有不同反应活性的燃料来实现LTC。在这种燃烧模式中,低活性的燃料是进气道喷射,另一种高活性燃料是缸内直接喷射。其燃烧由反应梯度控制,通过控制直接喷射的高反应性燃料来控制燃烧。通过对RCCI模式的大量研究表明,它有替代柴油燃烧的潜力,因为其热效率接近柴油燃烧甚至有更高的效率。此外,它具有接近零的NOx和烟尘排放。研究人员深入研究了不同变量对RCCI效率的影响,以进一步优化RCCI的性能。然而,RCCI试验的燃料设计和控制既昂贵又费时,因此当前的研究重点集中在一个多组分化学机理研究,它包括两个基本机理,然后是广泛的验证,以及它在RCCI燃烧模式中的应用,从而更好地预测燃烧特性。这两个替代物是TRFDIB(甲苯二异丁烯标准燃料),有131个种类和570个反应和T15+CH5(正十二烷)的机制,由167个种类和671个反应组成。化学动力学是物理化学的一个分支。在这一分支中,研究了化学反应中的基本反应机理和反应速率。在微观层面上,简单的化学反应实际上是通过多步基本反应完成的。因此,描述微观基本反应的化学动力学被定义为反应机理。反应机理包含一个或多个基本反应,具有相应数量的反应分子和速率方程,加成反应和后续反应的净值应该与表观化学反应相同。基本反应有四种:消除、加成、重排和取代。化学反应的速率被定义为化学反应速率,通常通过每单位时间反应物浓度的降低或产物浓度的增加来表示。化学反应速率主要受以下因素影响:(Ⅰ)外部因素包括:温度、压力、浓度、催化剂、X射线、激光、自然光。(Ⅱ)反应物本身的性质包括反应物之间的接触面积、反应物的大小、固体物质的表面积、反应物的状态、反应物的浓度、反应物的接触面积等。化学反应平衡是DEFI。NED作为恒定的反应条件(如温度、压力和反应物的浓度)。在可逆化学反应中,化学反应的逆速度等于正速率,反应物和产物组分的浓度在宏观方面不随时间变化。当化学反应的吉布斯自由能G达到最小值时,表示反应达到平衡。虽然详细的机理在化学动力学中具有良好的预测精度,但相对于CFD中使用的简化机制而言,该模型过于复杂。即使与RANS计算模型耦合,计算量也很大。当大尺度的化学反应机理与CFD计算结合时,化学动力学计算时间和资源占总计算时间和资源的80～90%。随着计算科学的发展和计算能力的增强,耦合CFD的详细机制有可能实现,人们逐渐把他们的兴趣转向更精确的LES(大涡模拟)和DNS(直接数值模拟)。化学动力学与CFD耦合,这将导致整体计算的大幅度增加。因此,即使未来的计算能力能大大提升,但仍然需要有良好预测能力的简化机理来耦合CFD计算,从而节约成本和节省时间。因此,仍然需要研究在可接受的范围内适当地减少反应物种和反应数量的简化化学机理。本研究的目的是提出一种双燃料的多组分化学反应机理,可以用于研究RCCI,双燃料和低温燃烧(LTC)的概念。通过对相关文献进行调研发现,近来还没有针对相关类型的研究,尤其是在RCCI燃烧这一特殊领域。最后,通过上述两种机理,对能够模拟汽油和柴油的反应机理进行了整合。所整合的机理有168种组分,680种反应。该机理适合于数值模拟研究的需要,因此不需要进一步的简化。此外,由于在先前的研究中已经对这两种机理进行了验证和应用,因此本文并未对其进行敏感性分析。本文研究分别涉及柴油的一种和汽油的两种替代物成分。从文献中得到的柴油的替代组成主要有由81%(体积分数)的正十二烷、14%甲苯和5%正己烷(T15+CH5(正十二烷))混合而成。而汽油的一种替代物组成由55%异辛烷、15%正庚烷、20%甲苯和10%DfIB(TRFDIB-1)混合而成。第二种汽油的替代物组成包括25%异辛烷、20%正庚烷、45%甲苯和10%DIB(TRFDIB-2)混合而成。替代物成分将在描述RCCI燃烧特性研究的部分中使用。有关汽油和柴油替代物的试验数据已被用于验证所提出的机理。试验数据包括激波管点火延迟期、层流火焰速度和火焰种类分布。为了进一步验证其准确性,该机理被用来预测台架试验中燃烧和排放的试验数据。除了化学反应之外,还需要密切描述输运过程,以确保火焰特性的精确预测。因此,本文在CHEMKIN程序中进行了相应的仿真模拟工作,采用稳态火焰的火焰模拟器模型进行了验证工作。本文模拟工作的边界条件、初始条件源自马帅营的博士论文。试验使用汽柴油双燃料,其中汽油是气道喷射,柴油缸内直接喷射。试验研究了在不同EGR条件下的早期和晚期、单次和双次喷射策略。所有试验中发动机的转速均为1500转/分钟(±2转/分钟)。本文研究在其试验基础上选择了一个代表性的算例。所有模拟RCCI条件的算例都是在CONVERGE程序中进行的。模拟从进气门关闭(-133°ATDC)到排气阀开启(125°ATDC)。在模拟中发动机的压缩比为16:1。选择单次早喷(SOI=-30°ATDC)的算例来检测发展机理模拟预测的准确性。选择这种该工况的原因是较长的点火延迟期会形成均匀的混合物。此外,通过该策略,可以实现低NOx和碳烟排放。汽油的替代物是以异辛烷为主要成分(体积比为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(体积比为81%),甲苯(14%)和正己烷(5%)。在Fikri等人的第二代替代物成分中,只有汽油中的组分比例发生变化。甲苯的比例增加到45%,其次是异辛烷的量减少到25%。在第三代替代物组分中,汽油替代物中还原为三组分,以60%辛烷值为主,其次是甲苯(25%)和正庚烷(15%)。所有这些替代物组分在不同的工况下下研究,选择它们的原因可以耦合到应用部分中描述的预测结果。为了对新发展的机理进行深入的研究,本文设置了几组算例。所有算例的设置都是基于一个前提,即分别研究每种替代物,汽油和柴油,的物理和化学特性的预测能力。在一些算例中,物理性质保持不变,化学性质发生了变化。同样地,在其它算例中,物理性质发生改变,但保持化学性质不变。还有一系列算例中,汽油和柴油的物理性质均保持不变,但化学性质发生变化。例如,在一种算例下,选用异辛烷的物理和化学性质为汽油物化性质。而对于柴油,则选用正庚烷的物理性质和T15+CH5(正十二烷)的化学性质。此外,每种替代物成分,汽油和柴油,的化学和物理性质也被交替地改变。同样,在某一算例下,首先用单组分表示物理和化学性质,然后在接下来的算例中用多组分表示。这样做是为了清楚地理解将使用多组分机理得到结果的差异,以及增加机理的复杂性如何影响数值预测。在研究开始设置的基准算例中,使用一种组分作为柴油和汽油替代物。柴油的替代物为正庚烷,汽油则选用异辛烷。模拟结果表明,新机理可以较好的预测缸内压力变化,但与试验比较,压力上升趋势的相位相对滞后。导致这一问题的原因在于缸内的放热过程。低温放热阶段(LTHR)偏高,而高温放热阶段(HTHR)偏低,导致放热率趋势不准确。因此,对基准算例的研究表明,使用单组分替代物用于汽油和柴油不足以预测试验结果。基于此,将汽油的化学性质由基准算例中的异辛烷相改为TRFDIB-1后发现较高的缸内压力,但在预测整个曲线轮廓方面表现较好。LTHR阶段的预测准确,但以更高的HTHR阶段为代价。在这种情况下,放热率预测的也较好。比较表明,改变汽油的化学性质在一定程度上改善了模拟结果的准确性。在第二个算例中,柴油替代物的化学性质从基准算例使用的正庚烷改为T15+CH5(正十二烷)。通过当前机理可以较准确地预测缸内压力。该机理对LTHR和HTHR阶段的预测也取得了很好的效果。曲线总体趋势表明使用单一组分替代汽油的方法是不可取的。这进一步表明,使用多组分替代物来代表汽油和柴油的化学性质可以给出更准确的结果。然而,在第三个算例中,选用第一种替代物成分中的多组分替代物表示汽油和柴油的化学性质。结果得到与算例1相同的高放热率曲线的问题,这意味着在汽油替代物中存在一些问题。因为在以前的算例中,不采用汽油替代物,总体预测结果较好。在第4个算例中下,汽油的化学和物理性质用异辛烷表示。Tetradecane(C14H30)用于表征柴油的物理性质和T15+CH5(正十二烷)的化学性质。这种组合在预测气缸内压力方面表现得非常好,仅在预测精确轮廓方面略微不足。在放热率方面,LHTR和HTHR都得到了很好的预测,但唯一的问题是预测放热率的趋势。正如之前所解释的,这很可能是由于该汽油的代替燃料是单组份的。算例5展示了作为柴油化学性质替代品的多组分燃料的改进。在算例6中,多组分燃料不仅在物理和化学性质上替代了柴油,而且也能够代替汽油。压力和放热率曲线的趋势符合得非常好,可惜它仍然对缸内压力和高温燃烧放热率HTHR预测过高。这三个算例被设计为针对前三个算例中与汽油替代物相关的问题。为达到目的,汽油的第二套组成成分Trfdib-2被采用,将甲苯的体积分数增加到45%,相应地,异辛烷的体积分数减少到25%。同样,柴油的化学性质依然和算例2一样,由T15+CH5(n十二烷基)代替。由于柴油替代燃料的性能很好,所以组成成分没有改变。结果表明,缸内压力与试验结果非常接近,总体趋势也非常良好。类似地,高温燃烧放热率HTHR相比之前的结果,预测得更好,甚至再现出良好的整体放热率趋势。通过改良替代燃料组成成分,可以显著提高反应机理的整体预测能力。因此,在6N算例中,替代汽油化学和物理性质的单一组分已经被表现更好的TRFDIB-2取代,因此。类似地,柴油的物理性质也可以用T15+CH5(正十二烷)代替。单组分与多组分燃料替代物已表现出明显的差异。压力曲线捕捉得很好,并且与试验结果近乎相等。在放热过程中,LHTR和HTHR在试验范围内的结果相比,趋势的预测得到了改善。为了进一步改善结果,已经在研究第三种替代燃料。在该组成成分中,汽油替代物已改为TRF25,而柴油替代物未被改变。之所以改变组成成分,原因是预测LTHR有点滞后。这项研究,预期将进一步改进替代汽油的多组分机理。这两个方案的设计将以算例五作为基准。柴油机的多组分机理几乎可以准确地预测结果,准确地捕获缸内压力,以及整体曲线。类似地,与之前任一算例相比,LTHR也被捕获得很好。同时,HTHR也与试验结果吻合较好。这些结果确定了在本研究中开发的多组分替代反应机理值得进一步发展。用多组分代燃料T15+CH5(正十二烷)代替柴油的物理性质,用单组分替代物NC7H16代替柴油的化学性质,更好地预测了NOx排放。利用单一组分IC8H18,替代汽油的物理和化学性质。将以上算例按照对NOx预测的精确程度顺序,依次为算例2算例5算例3N算例6N算例7N基准算例。在所有算例中,碳烟排放量都预测得过高,这表明一种可以预测所有燃烧特性的机理仍然需要发展。与其他算例相比,算例2P的过度预测最少。本例采用多组分替代物T15+CH5(正十二烷)表示柴油的物理性质,单组分C14H30表征柴油的化学性质。同时用单一组分,IC8H18,代替汽油的物理和化学性质。上述算例可按碳烟排放量最高的顺序排列,算例6N算例3N算例7N基准算例算例2算例5。根据这项研究,情况2P可以被认为是预测RCCI燃烧特性的总体最佳替代物。化学分析表明,多组分替代物能产生更高活性的OH和CH20自由基,从而提高低温燃烧性能。甲苯和CHX的存在抑制了多组分替代物中异辛烷和正庚烷的转化率。CHX也是消耗柴油替代物中的OH的主要成分,这似乎有利于控制低温放热,在单组分替代燃料,含量会更高。异辛烷反应路径导致单组分燃料中的OH生成反应,而在多组分燃料中,甲苯的反应路径产生大部分OH自由基。CA5下单组分和多组分代用燃料的消耗反应路径表明,除CHX外,所有组分在与HO2反应形成烷基自由基R.后被H提取所消耗。烷基自由基然后产生大部分中间产物,包括由于低温(LT)分支产生的产物。前四个物种的LT反应是通过加入氧来形成活性加合物,RO2。然后,该加合物经历异构化以形成氢过氧化烷基,QOOH。QOOH自由基再次发生氧形成O2QOOH自由基,在下游分解生成OH。这些LT反应是活性基团OH的主要贡献者,反应池中,显然,在多组分替代燃料中产生更多的这些自由基。CH20、甲醛,作为R(C4-C1)分解生成的产物,是燃烧过程中的又一关键成分。在CA50处的单组分和多组分反应路径显示出了这一点,由于高温分解,导致了这些产物形成。正庚烷的消耗量差别不大,但对异辛烷的影响很明显。这种异辛烷慢速转化的可能原因是OH的消耗成分甲苯,在汽油替代组成成分中的量。另一个明显的区别是异辛烷的路径,在多组分代用燃料中主要通过脱H消耗。然而,在单组分替代物中,它被分解用于形成AC4H9和BC4H9。甲苯,于在CA5出不同,产生促进高温的酮基(HCCO),是燃烧过程中重要的中间产物。通过引入更多的成分,在多组分替代物的情况下,反应自由基的总浓度增加。与单组分替代物相比,这又导致了系统反应性的改进。另一个显著区别是自由基在多组分燃料中的整个燃烧阶段的均匀分布。单组分替代燃料的OH质量分数在-15和-10°CA之间较高,这增强了反应性,导致更多的LTHR。其原因可能是柴油替代物中CHX的存在,消耗OH自由基控制低温下的放热。类似地,较高浓度的OH自由基增强了多组分替代燃料中的HTHR,而在单组分燃料的中,OH较低。HO2和CH3是导致反应池中OH自由基形成的两个重要自由基。HO2促进产生OH的反应,CH3还与HO2结合,通过反应CH3+HO2=CH30+OH生成OH。在反应池中的这些自由基的高浓度也有助于提高多组分代用燃料中的总OH浓度。在CA5多组分燃料对H2O2(H2O2+M=20H+M)的分解反应显示出最高的正灵敏度,因此,是多组分替代物点火后OH自由基的主要来源。产生OH的C6H5CH2(C6H5CH2+H02=C6H5CH20+OH)的氧化反应也有利于OH的生成,它是在甲苯经历H-提取反应后通过消耗HO2和OH自由基而形成的,从而减缓了化学活性。单组分和多组分代用燃料CA50的敏感性比较结果表明,在发动机运行的这一点上,HO2(2HO2=H2O2+O2)的分解反应在单组分代用燃料中表现出最高的正灵敏度,其次是H(H+02=O+OH)的氧化反应。该OH产生反应在多组分替代燃料中显示最高的正灵敏度,但在该特定点仍然小于单组分替代燃料。类似地,H2O(O+H2O=20H)的氧化反应是多组分燃料中具有较高灵敏度的另一种OH生成反应。此外,向丁烷中添加氧(IC4H7+H02=IC4H70+OH)仅在单组分替代燃料中产生OH。HO2(HO2+OH=H2O+O2)加氢对单组分和多组分燃料的负灵敏度系数最高。其次是H2O2(H2O2(+M)=20H(+M))的分解,在这一点上,对于具有两个以上反应的单组分的燃料来说,这两个燃料也表现出负灵敏度。总的来说,消耗OH的反应在单组分燃料中具有更高的灵敏度。此时CO的另一个重要反应是CO(CO+Oh=CO2+H)的氧化,因为CO2与自由基H一起生成OH,提高了整个反应性,并且是燃烧过程中的主要产热反应。此外,多组分替代燃料反应中CO2的总产生率的要更高。关于这一点,我们联想到放热率,由此,将比多组分替代燃料的放热率更高。更重要的是,更高的EGR率下,CO2会较EGR率低的情况,转化OH基,这会加强水的产生,并且使得点火延迟时间更短。由于这两点原因消耗OH、O2和CH3的反应降低了总的反应性,并对点火产生负面影响。此外,这里必须提到的是,EGR的使用可能使燃料组分的NTC(负温度系数)明显,并且根据低NTC成分对点火过程有积极的影响。否则,它们会对替代燃料的氧化过程产生负面影响。此外,需要进一步研究,才能明确EGR对点火正时的影响正确排序,至少到目前为止,还不清楚。因此复杂的化合物耦合EGR在实际发动机应用,也是一个具有挑战性的任务。
【学位单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ511
【文章目录】：
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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本文编号：2881630