二元燃料着火与柴油甲醇燃烧排放的数值模拟研究

【摘要】：为了更有效地提高燃料的热效率,柴油天然气(DNDF)和柴油甲醇(DMDF)二元燃料以压燃方式工作得到高度的重视。试验中发现天然气和甲醇都推迟了柴油的着火,但其着火机理尚不清楚。另外,针对DNDF燃烧排放的数值模型已经比较成熟,而针对DMDF燃烧排放的数值模型研究则明显不足。此外,虽然围绕DMDF这种燃烧方式已经从技术上进行了很多的试验研究并积累了不少经验,但是这些经验还需更深入的理论分析并提炼为数学模型。鉴于目前对DMDF的理论研究存在的一些不足,包括对其着火机理的研究还不完善,预测其滞燃期的经验公式还未建立,DMDF模拟研究则几乎全部集中在三维模拟上且使用的三维模型也未经过广泛验证。因此,本研究主要针对上述两种二元燃料的着火机理以及DMDF燃烧排放的数值模型开展相关研究。本研究内容主要包括三个方面:(1)在定容弹上研究DNDF和DMDF的着火特征,对两者异同进行比较,并拟合出这两种二元燃料燃烧的滞燃期经验公式,通过化学反应机理数值分析,扩展研究多种二元燃料的着火机理,包括柴油/甲醇、柴油/天然气、柴油/液化石油气、柴油/乙醇和柴油/正丁醇;(2)在KIVA的基础上,建立DMDF燃烧排放的三维数值模型,并通过试验验证了模型的可靠性,对着火过程、喷油时刻以及EGR率进行了参数研究;(3)基于FORTRAN语言,建立DMDF准维燃烧模型,并进行发动机台架的试验验证。通过试验研究和理论分析得出以下结论:(1)定容弹试验发现,无论甲醇还是甲烷都明显推迟了柴油的着火,甲醇的推迟作用强于甲烷。在试验的基础上,提出低温条件下柴油在单碳物质混合气着火的滞燃期经验公式,且与试验结果有很好的拟合。甲醇、甲烷推迟柴油着火的原因在于甲醇和甲烷的燃料脱氢反应消耗了大量的OH自由基,同时在后续的反应中,并没有通过低温链分支反应大量产生OH,这就导致了二元燃料自由基池中的OH的净减少,从而抑制了柴油着火。甲醇的推迟作用强于甲烷是由于甲醇脱氢反应速率强于甲烷,同时在低温氧化过程中甲烷可以通过链传递反应CH3+HO2=CH3O+OH贡献相当数量的OH,而在甲醇氧化中则没有这类反应。对二元燃料着火机理的扩展研究结果表明,二元燃料燃烧中高辛烷值燃料对柴油低温着火的影响取决于高辛烷值燃料的脱氢反应和低温链分支反应。在低温氧化(1000K)中,推迟柴油着火的能力的顺序为:乙烷丙烷正丁烷正戊烷正己烷;醇类对柴油着火的抑制作用强于与其具有相同碳原子数的烷烃。(2)基于化学反应动力学模型和半经验排放模型的三维数值模型,能够很好地预测DMDF的燃烧排放特性。该化学反应动力学模型有65步反应、43个组分,包含了NOX和C2H2的相关反应,其中C2H2作为碳烟生成的前驱物。该模型通过层流预混火焰组分浓度和DMDF发动机台架试验验证。利用该模型进行的参数研究表明,对于DMDF模式,甲醇的加入导致柴油着火推迟的四个原因中(甲醇高的辛烷值;降低了氧浓度;增加了进气的比热;化学反应耦合影响),化学反应耦合影响是导致柴油着火推迟的最主要原因;而对于DNDF,甲烷高的辛烷值与化学耦合这两种因素对柴油着火推迟的影响相当。在采用EGR时,DMDF模式下的NOX下降幅度与纯柴油模式相差无几,而碳烟的增加幅度却减小了,因此DMDF模式下采用EGR技术对排放更有利;另外,DMDF模式下的燃烧特征对EGR更敏感。(3)所建立的DMDF准维模型能够很好地模拟DMDF燃烧。该模型通过一个双韦伯函数模型与甲醇火焰传播速率模型来模拟DMDF的燃烧,通过三个韦伯函数来模拟大负荷时出现的甲醇自燃的现象。该模型的计算成本非常低,适合大时空尺度的模拟和大规模的优化设计。