基于CHEMKIN的乙醇汽油HCCI燃烧模拟研究[精制甲类].doc
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1、基于CHEMKIN的乙醇汽油HCCI燃烧模拟研究陈飞 1434422(汽车学院,同济大学)摘 要:HCCI作为内燃机新型燃烧方式,具有高效、低排放的巨大燃烧优势,为发动机性能的提高提供了广阔的前景。乙醇是一种高辛烷值的含氧燃料,因此乙醇汽油燃烧时发动机可在较高压缩比下工作。本文基于化学反应模拟软件CHEMKIN,模拟添加乙醇的汽油燃烧过程,分别讨论了进气温度、压缩比、转速、过量空气系数、进气压力和不同乙醇添加比例对乙醇汽油HCCI燃烧的影响。关键词:乙醇汽油,HCCI,CHEMKIN,燃烧模拟发现运用+1. 引言 随着环境污染不断加剧和废气排放法规的日益严格,对于内燃机研究领域,寻找新型的清洁
2、替代燃料和发动机燃烧方式成为了日益紧迫的一项任务。HCCI是一种以往复式汽油机为基础的一种新型燃烧模式,是汽油机的一种压燃方式。它是一种具有显著优势的发动机燃烧方式。HCCI发动机利用的是均质混合气,但它不同于常规汽油机的单点点火方式,它通过提高压缩比、采用废气再循环、进气加温和增压等手段提高缸内混合气的温度和压力,促使混合气压缩自燃,在缸内形成多点火核,有效维持了着火燃烧的稳定性,并减少了火焰传播距离和燃烧持续期。这种燃烧方式既具有传统柴油机燃料利用率高的优点,又具有传统汽油机有害排放低的优点。在降低油耗和排放方面具有巨大潜力。HCCI发动机的燃烧温度低,能大幅度降低排放,并且由于燃烧周期短
3、,大部分燃烧集中在上止点附近,提高了发动机的热效率。醇类作为代用燃料目前以参杂方式居多,即将甲醇或乙醇按一定比例加入到汽油中形成混合燃料。乙醇常温常压下是一种无色、透明、有香味、易挥发的可燃液体。乙醇分子中含氧量为34.8%,含氧量高,热值低,汽化潜热大,抗爆性好,因此乙醇作为燃料可以减少燃烧过程中产生的碳烟和NOx排放,同时可以获得良好的雾化效果,使燃烧更充分,热效率更高。乙醇的热值(26.9MJ/Kg)比汽油低,但含氧量比汽油大,含乙醇10%的汽油含氧量可达5%,完全燃烧所需空气量仅为汽油的61%。因此二者混合后热值差不多,乙醇汽油燃烧时,发动机动力性不会降低。乙醇的辛烷值为110,大大高
4、于汽油的辛烷值(80-98),添加乙醇后可以提高燃料的辛烷值,可以增加抗爆性。因此乙醇汽油是一种较为理想的新型车用替代燃料。发动机燃烧添加不同比例的乙醇的汽油时,发动机的各项性能有何不同,将是本文的研究重点。2. 模型建立 本文将基于化学反应模拟软件CHEMKIN模拟HCCI条件下不同乙醇添加比例的汽油燃烧特性。2.1. CHEMKIN介绍 CHEMKIN 是非常强大的求解复杂化学反应问题的软件包,常用于对燃烧过程、催化过程、化学气相沉积、等离子体及其他化学反应的模拟。CHEMKIN 以气相动力学、表面动力学、传递过程这三个核心软件包为基础,提供了对21 种常见化学反应模型及后处理程序。 CH
5、EMKIN的组成结构如图2.1所示。热力学数据库包含了大多数燃烧问题中设计的反应物、中间产物和终产物的热力学信息。解释器从热力学数据库中提出有关物质的热力学信息,其输出形成连接文件,包括了反应机理中元素、物质和反应的所有信息。气相子子程序库由100多个高度模块化的子程序构成。图2.1 CHEMKIN的组成结构2.2. 发动机模型本文所用发动机模块在发动机中进行HCCI燃烧需要基于以下假设:1 燃烧室内质量恒定,且整个燃烧室为绝热系统。2 混合气各组分均为理想气体,且不计气体的动能和势能。3 缸内工质状态均匀。4 边界条件参数在CHEMKIN模块中设置。5 此模块仅模拟一个压缩和做功过程。本文所
6、用发动机基本配置参数如表2.1所示。模拟所用空气只考虑氧气和氮气,其中气体百分比如表2.2所示。表2.1发动机基本配置参数参数参数值排量(cc)500压缩比14.0表2.2 空气各组分含量气体组分占空气体积百分比氮气79%氧气21%标准工况时,模型使用转速1500rpm,1.0atm进气压力,14.0压缩比,460k进气温度,1.0过量空气系数,10%乙醇添加量进行模拟,之后运用控制变量法改变某一因素进行分析。2.3. 乙醇汽油机理建立本文将使用异辛烷代表汽油,在详细反应机理的基础上,首先分别对乙醇和异辛烷的氧化机理进行一定的简化,然后构建乙醇汽油混合机理。1) 乙醇反应机理简化乙醇氧化过程主
7、要是以裂解和脱氢两种途径来消耗的。l)乙醇裂解反应:(+M)-产物2)乙醇脱氢反应:+OH-产物;+H-产物;+O-产物;+CH3-产物;+-产物。乙醇裂解反应主要是链引发反应,通过反应链产生大量活性基团。首先裂解生成CH3(甲基)和,再进一步氧化成(甲醛)和(自由基),两个自由基、反应生成(甲氧基)和OH基,然后分解为和H(自由基),此时和O2发生支链反应,使反应链进一步增长。此阶段产生的自由基主要有:、H、OH等,为脱氢反应引发其他的各种反应链,使反应得以进一步延续。脱氢反应则是进一步消耗,使其氧化成许多中间产物,从而完成整个燃烧过程。图2.2乙醇氧化反应的总体流程图把上述关键反应组合到一
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