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《天津大学》 2014年
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汽油燃料替代混合物低温燃烧机理数值模拟与试验研究

王怡峰  
【摘要】:本文以简化动力学模型耦合三维CFD(FIRE)数值模拟为主要手段,通过结合试验研究,对汽油燃料缸内直喷PPC燃烧模式的燃烧机理进行了研究,详细分析了汽油替代燃料组分的氧化过程以及有害排放物生成的详细细节。 本文首先使用不同汽油替代混合物包括PRF87、PRF93、TRF25和TRF+二异丁烯,与真实的汽油进行了对比试验研究,其进气氧浓度从0%变化到发动机失火,并详细对比了汽油及四种替代燃料在不同负荷和EGR率下的着火滞燃期、主燃烧相位以及主要排放物。结果表明,PRF87和PRF93的燃烧和排放特性都不能与真实汽油相匹配,在中等负荷时,TRF25的特性与汽油燃料匹配得较好;但在小负荷下工况并不吻合。TRF/二异丁烯的燃烧和排放特性能与汽油较好地吻合,可以在汽油PPC燃烧模式下作为汽油替代燃料来使用。 我们进一步以TRF+二异丁烯为对象,构建了该替代燃料混合物的半详细反应动力学模型。该模型以正庚烷和异辛烷的骨干机理为蓝本,并添加进了甲苯和二异丁烯的详细反应机理。我们还借助了量子化学模拟的手段对甲苯和二异丁烯的某些重要反应进行了计算,更新和完善了部分的反应速率参数。另外机理中系统地考虑了燃料组分间的交叉反应。最终获得了一个由473种物质,1267个反应组成的半详细动力学机理,并将该机理和激波管、层流燃烧火焰和HCCI发动机的实验结果进行了验证,总体上取得了比较满意的校正结果。 我们又开发了一种集合了多种常用简化方法的动态的机理简化策略,并利用该策略将构建的TRF+二异丁烯半详细机理简化成了由92种组分和309个反应构成的简化机理,并将该机理的预测性能与原半详细机理以及激波管、层流燃烧火焰和HCCI发动机的实验的结果进行了对比,结果表明:该简化机理不仅在一个较为宽广的温度、压力和当量比范围很好地预测了燃料的自燃着火和熄火性能并且也很好地预测了Fuel-b在不同温度下层流燃烧速度随当量比的变化趋势的实验结果。 最后,本文将该简化机理与三维CFD流体力学代码相耦合,并以EGR率为20%的试验工况为例,对汽油缸内直喷PPC燃烧过程以及有害排放物的生成过程进行了数值模拟研究,结果表明:在正庚烷的氧化过程中出现了OC7H13O2H相对于C7H15-1、C7H15OO和C7H14OOH在反应时序上的滞后,这是由于出现了“负温度系数”现象的干扰,即第一次加氧产物的裂解和二次加氧过程之间的竞争关系。甲苯首先发生脱氢反应形成苄基,由于苄基的反应活性低且脱氢过程消耗了很多自由基,导致整个反应系统的氧化变慢。二异丁烯主要则是通过脱氢反应首先生成JC8H15-a,而后进一步分解为iC4H7和iC4H8。另外仅有20%的二异丁烯会通过Waddington机理被消耗,与传统均质低温氧化过程有所不同。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TE626.21

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【共引文献】
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