基于混合气活性和浓度分层控制的燃烧机理数值模拟研究

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1、天津大学博士学位论文基于混合气活性和浓度分层控制的燃烧机理数值模拟研究NumericalStudiesontheCombustionMechanismControlledbyMixtureReactivityandConcentrationStratification学科专业：动力机械及工程研究生：贾国瑞指导教师：尧命发教授天津大学机械工程学院2017年5月万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写

2、过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名

3、：签字日期：年月日签字日期：年月日万方数据中文摘要混合气活性和浓度分层可根据运行边界条件控制缸内燃烧过程，从而拓宽均质压燃、低温燃烧高效清洁运行的工况范围，是内燃机实现全工况范围内高效运行的有效技术途径。但目前人们对其燃烧机理的认识仍不清晰，尤其是基于混合气活性与浓度控制的燃烧反应动力学机理。因此，研究其燃烧机理，尤其是燃烧化学反应动力学机理有着重要的理论意义，对发展新的燃烧控制技术有重要的工程指导意义。首先，本文对燃烧化学反应动力学机理简化方法进行研究，深入分析了化学动力学机理的简化程度对机理预测燃烧的计算效率

4、和精度的影响。以正庚烷为具体研究对象，深入研究不同基元反应数量的动力学简化机理对燃烧数值模拟的滞燃期，层流火焰速度，层流火焰物质浓度，零维和三维CFD计算准确性的影响，并分析了简化机理产生误差的主要原因；同时，分析不同基元反应数量的简化机理耦合CFD的计算效率，为后续构建简化机理奠定理论基础。其次，为了提出汽油最佳的替代混合物燃料，通过单缸发动机台架试验研究汽油压燃低温燃烧的替代混合物。通过对比RON92汽油与基础参比燃料（PRF）、甲苯参比燃料（TRF）和掺混二异丁烯的甲苯参比燃料（TRFDIB）在小、中、大负

5、荷条件下的燃烧和排放特性，包括着火滞燃期，燃烧相位，碳烟（Soot），NOx，CO和UHC等排放，提出了与实际汽油燃烧和排放特性最接近的替代混合物，即，由正庚烷、异辛烷、甲苯和二异丁烯构成的TRFDIB，以此构建汽油替代物的化学动力学简化机理模型，包括113个物种，561个基元反应。简化机理与文献报道的激波管和快速压缩机的滞燃期，定容燃烧弹中的层流火焰速度，层流火焰中的物种浓度，HCCI发动机等多种基础试验数据进行对比验证，结果表明机理与试验结果吻合。应用该简化机理耦合三维CFD(KIVA)计算的缸内压力，放热率

6、，碳烟和NOx排放等结果也与发动机台架实测结果基本吻合。应用上述汽油替代物简化机理耦合本课题组发展的柴油替代物简化机理，构建出一个适用于基于混合气活性和浓度分层控制的柴油/汽油双燃料燃烧化学动力学简化机理，其中包含145个物种，619个反应，涵盖NOx和Soot等子机理模型。通过耦合3D-CFD计算程序KIVA，分别对比单组份和多组分动力学简化机理在燃烧和排放等方面的差异。与实验数据的验证结果表明，该简化机理模型可以更好地再现柴油汽油双燃料的燃烧和排放特性。通过多组分替代物机理深入研究，探讨了各组分之间交叉反应的

7、耦合作用对整个反应过程的影响。结果发现，与汽柴油单组份替代物相比，多组分替代物的各组分之间的交叉反应可促进整体I万方数据天津大学博士学位论文燃料的消耗，替代混合物中各组分通过小分子C1~C4和OH等自由基的交叉反应，影响整体反应路径以及PAH等有害排放物的生成。最后，作者应用汽柴油简化机理耦合CFD模型研究喷射策略、气道喷射汽油比例和EGR对燃烧和排放的影响机理。通过化学动力学机理分析发现：早喷促进了混合气低温氧化反应路径，H2O2浓度高；而低活性燃料促进高温反应路径，燃烧更均匀；晚喷策略的混合气分层度大，直喷燃

8、料高温裂解比例高。气道喷射大比例的汽油导致混合气中累积大量H2O2和CH2O，其瞬间裂解使燃烧剧烈放热，即促进了高温反应，导致压升率升高。EGR抑制反应路径中HO2H2O2OH的转化，降低混合气的活性；同时，EGR减弱了反应路径中CH2OHCOCOCO2的转化，降低了燃烧反应速率，有利于对燃烧的控制和大负荷扩展。关键词：内燃机，混合气活性分层，浓度分层，简化机理