基于chemkin的乙醇汽油hcci燃烧模拟研究

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1、基于CHEMKIN的乙醇汽油HCCI燃烧模拟研究基于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1.

2、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

3、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NOx排放，并且由于燃烧周期短，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

4、/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CHEMKI

5、N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。CHEMKIN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2.1CHEMKIN的组成结构2

6、.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表2.2空气各组分含量标准工况时，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

7、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要是以裂解和脱氢两种途径来消耗的。l)乙醇裂解反应:C2H5OH(+M)--产物2)乙醇脱氢反应:C2H5OH+OH--产物；C2H5OH+H--产物；C2H5OH+O--产物；C2H5OH+CH3--产物；C2H5OH+HO2--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C2H5

8、OH裂解生成CH3(甲基)和CH2OH，CH2OH再进一步氧化成CH2O（甲醛）和HO2(自由基)，两个自由基CH3、HO2反应生成CH3O(甲氧基)和OH基，然后CH3O分解为