一个新的用于HCCI发动机燃烧研究的正庚烷化学反应动力学简化模型
一种基于HCCI模式的参比油简化机制及其验证
摘 要 ：引入 数 值 模 拟 精 度 的 定 义 ， 用 两 组 分 参 比 油模 拟 了 ＨＣ Ｉ 动机 点 火 过 程 ， Ｙｏｎ ｃｕ Ｒ 采 Ｃ发 对 ｕ ｇｈ ｌ ａ和 Ｒｏ ｌ ｌ Ｄ ｅｔ提 出的 正庚 烷 与 异 辛 烷 氧 化过 程进 行敏 感性 分析 及优 化 处 理 ， Ｈ．Ｊ ｕｒｎ的 详 细反 应 机 理 进 行 数 值 ．Ｒ ｉ ｚ 对 ．Ｃ ｒａ
是 燃 料 与 ｏＨ 根 离 子 的 脱 氢 反 应 ， Ｒ１ 而 Ｏ是 异 辛 烷
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ｃ ｎ ｉ— ｄｓ ｎ大 学 发 动 机 研 究 中 心 Ｙ ｕ ｇ ｈ ｌ ｏ ｓ Ｍａ ｉｏ ｎ ｏ ｎ ｃ ｕ
Ｒ ａ和 Ｒ ｌ Ｄ．Ｒｅ ｚ开 发 的 简 化 化 学 动 力 学 机 ｏｌ ｉ ｔ 理 Ｌ ， 机理包 括 ４ 】该 ｊ １种物 质和 １ ０ 基元 反 应 。利 ３个 用 Ｃ ＨＥ ＭＫＩ 化学 动力 学软件 包进 行敏 感性 分 析 ， Ｎ 优 化反应 速率 常数 ， 之 适 用 于试 验 工 况 的高 辛烷 使 值燃 料 ＨＣ Ｉ Ｃ 发动 机 自动着 火过程 。
第 ３ （ 第 １８ ） 期 总 ８ 期 ２１ ０ ０年 ６ 月
车
用
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Ｎｏ． Ｓｅ ｉ１Ｎｏ． ８） ３（ ｒａ １８
Ｖ ＥＨ Ｉ ＣＬＥ ＥＮＧ Ｉ Ｅ Ｎ
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一
种 基 于 ＨＣ Ｉ 式 的参 比油 简化 机 制及 其验 证 Ｃ 模
刘 爱 萍 ，赵 二 兰 ，王 志 明 ，胡 玉 平
SIHCCI燃烧模式瞬态切换过程的优化控制
对于分析ＨＣＣＩ燃烧情况、优化切换过程有重大的意义。
由于采用的单区模型，着火后模拟计算的压力升高率和最高峰值都偏高：在第１２个循环之后，试验结果的缸压曲线有所下降，那时因为缸压测量造成的。
表１切换过程相关控制参致变化ＳＩＨＣＣＩ一次喷油时刻／ｏｃＡＢＢＤＣ８０８０一次喷油量／ｍｇ１５．３１８．５二次喷油时刻／ｏＣＡＢＴＤＣ１１０（压缩期）（重叠期）二次喷油量／ｒａｇ５．１１．２进气门开启代ＡＢＴＤＣ５５．５６．４进气门关闭，ｏｃＡＡＢＤＣ４５．５３４．８排气门开启／ｏＣＡＢＢＤＣ２８３９８排气门关闭／。
ＣＡＡＴＤＣ７７．５＿６ｌ，４试验懂扭ⅢＩ＿舭山№ｌｕ【【删ｍ图４模拟ｓＩ／｝∞ＣｃＩ切换全过程与实验比较２．２试验设备试验发动机参数见表２。
基于ＰＣ机的电控喷油系统能够在一个循环内实现３段喷油。
点火控制采用ＤＥＬＰＨＩ公司ＰＣ．ＨＵＤ电控系统的点火模块。
供油系统采用高压共轨装置，供油压力为６ＭＰａ。
对两阶段喷射在不同转速下进行了标定，喷油脉宽与实际喷油量呈良好的线性关系。
气缸压力采用Ｋｉｓｔｌｅｒ６１２５Ｂ型传感器，输出电荷信号通过Ｋｉｓｔｌｅｒ５０１１型电荷放大器转换成电压信号．经过高速数据采集装置采集。
空燃比测量使用日本ＮＴＫ公司的ＡＢＭ．１０型空燃比仪，通过排气测得空燃比值，再利用高速数采装置采集。
发动机采用火花点火模式起动后至冷却水温高于７５０Ｃ时进行ＳＵＩ－ＩＣＣＩ模式间切换试验。
１２０表２试验发动机参数特征取缸４冲程ＧＤＩ发动机缸径９５ｍｍ冲程１１５ｍｍ几何压缩比１３二Ｊ‘花塞Ａ７ＲＣ喷油器高压旋流式喷油器喷油压力６ＭＰａ喷雾锥角６００燃料市场９０＃汽油试验采用自行设计错位双凸轮机构实现切换过程配气动作，如图５。
它能实现一个工作循环内的火花点火燃烧模式向压燃着火模式所需的配气策略的切换。
图５错位双凸轮配气系统排气后处理仍然使用常规汽油机三效催化剂。
由于ＨＣＣｌ燃烧模式下ＮＯｘ排放很低，只有ＨＣ和ＣＯ需要后处理。
HCCl
结论：
柴油HCCI燃烧是在多点同时发生，没有明 显的火焰前锋，燃烧反应迅速，燃烧温度低 且分布较均匀，只生成极少的NOx和PM，在 低负荷时具有很高的热效率。但也存在实现 不容易，排放HC过多等缺点。
比较内容 燃料 混合气 形成方式 稀薄燃烧
点燃式发动机 燃料汽油等 化油器或 喷射- 均质 否
实现HCCl的方法
基本原理：通过压缩缸内均匀的燃油和空气 的混合气，在上止点(TDC)附近实现自燃。
汽油机 柴油 柴油机
均质混合气的形成是实现对HCCI燃烧控制 的第一步。 国际上采用的柴油均质预混合气方式包括： 进气道缸外预混、缸内早喷射和晚喷。
a．缸外预混HCCI
即在进气冲程把柴油喷入进气管，与空气混合形成预混合气。 采用进气道喷射，利用进气涡流来强化混合气的形成，是提 高混合气均匀度的一个相对简单的方法。但要求较高的进气 温度来促进柴油的蒸发，需要安装加热装置和进气道燃油喷 射系统，并且不利于柴油机冷启动。早期的研究中多采用这 种方法制备混合气，最早进行研究的美国西南研究院曾采用 这种方式引入混合气，燃料在进气道喷出后与空气混合形成 均匀的混合气，进气门开启时混合气进入缸内压缩、着火。 柴油由于挥发性较差以及壁面撞击，采用此法将导致较高的 HC和CO排放以及燃油消耗量的增加。
( 7) 合适燃料( 包括混合燃料) 的开发。 ( 8) 多缸机各缸均匀性的保证。
柴油机HCCI燃烧具有超低的NOx和PM排放，具有很高 的能量转换率，这对传统柴油机来说，不但保留了原有的节 能优势，还大大降低了排放，使其性能更加完美，这无疑具 有很大的发展前景。不过，柴油机HCCI燃烧的HC和CO排 放偏高，有待进一步降低。另外，影响柴油HCCI燃烧的因 素多，使得难以控制，必然要采用双模式运行方案。即中、 低负荷时，采用HCCI燃烧方式；高负荷时，使用传统模式。 随着发动机技术的进步，柴油机HCCI燃烧的控制将更加完 善，真正达到实用化的目的。
[柴油发动机燃烧室温度]柴油燃烧机燃烧调整
![[柴油发动机燃烧室温度]柴油燃烧机燃烧调整](https://img.taocdn.com/s3/m/d948ceb0f424ccbff121dd36a32d7375a417c636.png)
[柴油发动机燃烧室温度]柴油燃烧机燃烧调整篇一: 柴油燃烧机燃烧调整柴油燃烧机燃烧调整根据燃烧器应用于锅炉上的效率标准,调试燃烧器必须参考锅炉的使用说明，这一工作包括调整烟气的CO和CO2，烟温及锅炉的平均水温。
、压缩天然气等。
现在又大力开发混合动力汽车、电池电动汽车、电容电动汽车和太阳能汽车等。
1 柴油发动机燃烧技术柴油机汽车因压缩比高，燃油消耗平均比汽油机汽车低30%左右，所以燃油经济性较好、热效率较高。
但是传统的柴油机燃烧过程，是采用高压喷射将燃油喷入气缸，形成混合气，并借缸空气的高温自行发火燃烧。
如果燃烧不充分，极易产生NOx 、PM。
随着排放标准的提高，政府对节约能源与减少排放日益重视。
为达到排放法规和降低油耗的要求，应该加强新的燃烧方式的探索，开发出高性能低成本的先进柴油机。
近些年应运而生的先进的燃烧技术有：均质充量压缩点燃和低温燃烧等。
他们与传统的燃烧模式相比有很多自身的优势，有足够的提高效率和降低排放的潜力，但还需要进一步的深入讨论和完善。
1.1 均质充量压缩着火燃烧自20世纪70年代末，均质充量压缩着火燃烧这一新概念被报道，国际上学术界和工业界一直高度重视这一燃烧技术，是世界内燃机燃烧研究领域中的热点之一。
均质充量压缩着火燃烧，就是柴油机在着火前像汽油机那样形成均质混合气，消除扩散燃烧，采用较高压缩比，压缩可控着火，实现近似等压燃烧；同时要具有良好的化学反应动力学效应，实现低温火焰快速燃烧，燃烧持续期短，燃烧效率高，可以同时保持较高的动力性和燃油经济性，达到高效、低污染的目标。
与传统的点燃式发动机相比，它取消了节气门，泵气损失小，混合气多点同时着火，燃烧持续期短，可以得到与压燃式发动机相当的较高的热效率；与传统柴油机相比，由于混合气是均质的，有效的解决了传统均质稀混合气燃烧速度慢的缺点，燃烧反应几乎是同步进行，没有火焰前锋面，燃烧火焰温度低，可以同时降低NOx 和PM排放。
另外，实施HCCI燃烧模式可以简化发动机燃烧系统和喷油系统的设计。
正庚烷甲苯混合物燃烧简化机理分析
力 学 的控制 ， 以要 对 其进 行模 拟 计算 就需 要构 建 可 所 靠 的燃 料 氧 化 反 应 动 力 学 模 型 ． 多维 模 型 与 简 化 将
收 稿 日期 ： ２０１ｌ １ ． ２． 一 ２ ０
基 金项 目： 国家 自然 科 学基 金资 助项 目 （０７ ０ ８ ； ５ ９６ ７） 国家杰 出青年 基金 资 助项 目（１２０ ６ ５ １５２ ）
苯 参 比燃料 （ ｌｅ ｅ ｒｆｒｎ ｅ ｆｅ， Ｒ ） ｔ ｕ ｎ ｅｅｅ ｃ ｕ ｌＴ Ｆ 和基本 参 比 ｏ
种 ： 感 性分 析 法 、 化 反应 机 理 的软 件 自动 生 成法 敏 简 和 集 总法 ． 文 采用 敏感 性 分析 法 进行 简 化 ， 本 计算 采 用 美 国圣 地 亚 国家 实 验 室燃 烧 研 究 室开 发 的大 型气 相 化 学 和 等 离 子 体 动 力 学 的 化 学 动 力 学 分 析 软 件
（ ７ ， 一 步 氧 化 生 成 苯 甲醛 （ ６ Ｃ ＣＨ） 进 Ｃ Ｈ５ ＨＯ） 苯 甲 和 酰 基 （ ６ Ｃ ； 庚 烷 的 主 要 反 应 路 径 是 正 庚 烷 Ｃ Ｈ５ Ｏ） 正
实验都是在激波管或快速压缩机 中进行 ， 在真实的柴 油 机缸 内的实验 却很 少． 实 际 上 ， 油 包 括 芳 香 烃 ， 环 芳 香 烃 （Ａ 柴 Ｊ多 Ｐ Ｈ） 又是 生成 碳烟 的重 要前 驱物 ， 以构 建正 庚烷 和典 型 所
雒 婧 １ ，尧命发 ， ２
（． Ｉ 天津大学 内燃 机燃 烧学国家重点实验室 ，天津 ３ ０ ７ ； ０ ０ ２ ２ ．河北工业大学能 源与环境 工程 学院 ，天津 ３ ０ ０ ） ０４ １ 摘 要 ：提 出了一个新 的包括多环芳 香烃 （ＡＨ 生成 的正庚 烷／ Ｐ ） 甲苯混合物 燃烧化学 动力学简 化机理．该 机理包括
汽油HCCI发动机实时控制系统的开发
锈钢材料上稳定加工出缝宽30 m左右的微缝结构以及直径为10 m的探针和微直角结构,其尺寸均匀,加工稳定性好。
参考文献:[1] Zhu D,W ang K,Qu N S.M icro Wir e Elect rochemical Cutt ing by U sing In Situ F abricated W ire Electro de[J].A nnals o f the CIR P,2007,56(1):241 244.[2] K im B H,N a C W,L ee Y S,et al.M icr o Electr ochemical M achining o f3D M icr o Str ucture U singDilute Sulfur ic A cid[J].A nnals of the CIRP,2005,54(1):191 194.[3] Schuster R,K ir chiner V,A llo ng ue P,et al.Electr ochemical M icro M achining[J].Science,2000,289:98 101.[4]朱荻,王明环,明平美,等.微细电化学加工技术[J].纳米技术与精密工程,2005,3(2):151 155.[5] 王昆,朱荻,张朝阳.微细电解线切割加工的基础研究[J].中国机械工程,2007,18(7):833 837.[6] 徐惠宇,朱荻.微细群缝的精密电解加工研究[J].中国机械工程,2004,15(21):1912 1915.(编辑 郭 伟)作者简介:王少华,男,1981年生。
南京航空航天大学机电学院博士研究生。
主要研究方向为微细电解加工。
朱 荻,男,1954年生。
南京航空航天大学机电学院教授、博士研究生导师。
曲宁松,男,1968年生。
南京航空航天大学机电学院教授。
王 昆,男, 1981年生。
南京航空航天大学机电学院博士研究生。
柴油机hcci
柴油机HCCI摘要: 均质充量压缩燃烧HCCI(Homogenous Charge Compression Ignition)是一种新型发动机燃烧方式, 它能有效地解决传统柴油机燃油经济性差和尾气排放高的问题, 特别是能够降低NOx 和PM的排放, 并进一步提高热效率。
柴油机的HCCI 燃烧存在HC 和CO 排放偏高的问题, 有待进一步降低, 并且由于HCCI 燃烧存在的燃烧控制以及适用工况范围窄等问题, 因而目前柴油HCCI 发动机还未能实现大规模商品化。
介绍柴油机HCCI燃烧的特点以及影响柴油机HCCI 燃烧的一些重要因素, 如EGR、进气温度、压缩比ε、喷油时刻、燃空当量比和喷油压力等对柴油机HCCI 燃烧和排放的影响。
关键词: 柴油机燃烧方式HCCI均质充量压缩燃烧HCCI ( Homogenous ChargeCompression Ignition) 是一种新型的发动机燃烧方式, 它综合了汽油机均质点燃和柴油机压缩自燃的特点, 像汽油机那样在进气及压缩行程形成均质混合气, 当压缩到上止点附近时均质混合气自燃着火, 在缸内形成多点火核, 从而有效地维持着火燃烧的稳定性。
这种燃烧方式能有效地解决传统柴油机存在的燃油经济性差和尾气排放高的问题, 特别是能够降低NOx 和PM的排放, 并进一步提高热效率。
目前, 国际上有多家汽车公司已在其产品发动机样机上实现了多缸HCCI 稳定燃烧, 并取得了大幅度降低油耗和排放的效果[1]。
自从有了汽车，工程师们就一直在努力设计功率强大的、节油和低排放的发动机。
无论是CCS系统，还是HCCI系统，其共同特点就是均质燃烧――一种大有前途但非常艰难的技术解决方案。
发动机设计师们坚信：早晚有一天柴油机和汽油机会合二为一，出现一种具有这两种内燃机各自优点的新型内燃机。
通用公司和欧宝公司（他们把这种发动机称之为HCCI发动机）仍然以汽油机的研发为主，戴姆勒公司（汽柴油机）和大众公司（CCS发动机）则是“两条腿走路”，即改进柴油机性能的同时也在努力改进汽油机的性能。
HCCI汽油机燃烧和排放特性的仿真分析
实际的设计提供了依据。
关键词： 数值模拟 ； 计算流体动力学 ； 燃烧和排放 ； 当量燃空 比
中 国 分类 号 ： Ｂ ４ Ｔ ２ 文献 标 识 码 ： Ｂ
第２卷 第４ ８ 期
文 章 编 号 ：０ ６— ３ ８ ２ １ ）４—０５ ０ １０ ９ ４ （ ０ １ ０ ３８— ５
计
算
机
仿
真
２１年４ ０１ 月
ＨＣ ｌ 油 机 燃 烧 和 排 放 特 性 的 仿 真 分 析 Ｃ 汽
李 燕， 郑朝 蕾 ， 何祖 威 ， 王 峰
（ 庆 大 学 动 力工 程 学 院 ， 庆 ４ ０４ ） 重 重 ００ ４
ｇｓｌ ｅｅｇｎ ｎ ｓｆｌ ｕｄ ｒ ｏ ｕｔｎｏｔ ｉ ｔｎｏ Ｃ Ｉ ｎｉｅｙｕｉｇＲ Ｇ ｋ ａｏｉ ｎ ｅａｄｉ ａｕｅ ｉｅｆ ｍｂ ｓｏ ｐｉ ｚ ｉ ｆ Ｃ ｇｎｂ ｓ Ｎ 一￡ａｄＥ Ｃｍ ｄｌ ｎ ｉ ｓ ｕｇ ｏｃ ｉ ｍ ａｏ Ｈ ｅ ｎ ｎ Ｄ ｏ ｅ
ｓｏ ｏｍ ｉｇ ｉ ＨＣＣＩ ｇ ｓ ｌｎ ｎ ｉ ｅ ｂ ｉ ｇ ｉｎｓｆｒ ｎ ｎ ａ ａ ｏ ｉｅ ｅ ｇ ｎ ｙ ｕｓｎ ＣＦＤ ｓ ｆｗａ ｅ ＦＩＵＥＮＴ ｃ ｕ ｌ ｄ ｏｔ ｒ ｏ ｐ ｅ ｗｉ ｄ ｔｉｅ ｃ ｅ ｃ ｌ ｉ ｔ ｔ ｅ ａｌｄ ｈ ｍｉａ ｋｎｅｉ ｈ ｃ
摘 要 ： 究 内燃 机燃 烧 特 性 问 题 ， 了能 更 为 准 确 地 预 测 ＨＣ Ｉ 油 机 缸 内燃 烧 特 性 和 排 放 特 性 ， 出建 立 了 内 燃 机 缸 内工 研 为 Ｃ汽 提
气口喷射惰性添加剂的正庚烷HCCI燃烧过程的研究
［ 摘要】 在单缸发动机上对气口喷射多种惰性添加剂（ 甲醇、 乙醇、 异丙醇和 Ｍ ｌ ） １ Ｅ 对正庚烷 Ｈ Ｃ 燃烧的影 Ｂ ＣＩ
响进行了比较， 结果表明， 甲醇对着火抑制效果最显著 ， 但是综合分析热效率和排放等因素， 乙醇最佳。接着对乙醇 着火控制机理进行了详细的试验研究和化学动力学分析。对排放影响因素分析表明，Ｏ排放更多取决于燃烧温 Ｃ
ｌｔｐ ｒ ｏ ｉ ｇｅｃ ｌ ｄ ｒｅ ｇｎ ｏｃ ｍｐ ｒ ｈ ｉ ｅ ｃｓｏ ｅ ＨＣ Ｉｃｍｂ ｓｉｎ ｏ －ｅ ｔｎ ．Ｔ ｅ ｒｓ ｌ ｄ— ｅ ｏｔ ｆ ｓ ｌ ｙｉ ｅ ｎ ｉｅｔ ｏ ａｅ ｔｅｒ ￣ ｔ ｎｔ Ｃ ｏ ｕ ｔ ｆ ｈ ｐａ ｅ ｈ ｅ ｕｔ ｉ ｉ ａ ｎ ｎ ｈ ｏ ｎ ｓｎ ｃ ｔ ａ ｔａ ｏ ａ ｓ ｏ ｖｏ ｓｉｎｔ ｎ ｓ ｐ ｒ ｓｉｎ ｅ ｅ ｔ ｕ ｔ ｈ ｖ ｒ ｌｃ ｎ ｉｅａｉｎ ｆｔｅｍａ ｆ． ａｅｔ ｔｍｅ ｎ ｌｈ ｓｍｏ ｔ ｂ ｉｕ ｇ ｉｏ ｕ ｐ ｅｓｏ ｆ ｃ ，ｂ ｔｗｉ ｔ ｅｏ ｅａ ｏ ｓｄ ｒｔ ｓｏ ｒ ｌｅｆ ｈ ｈ ｉ ｈ ｌ ｏ ｈ ｉ ｃｅ ｃ 。ｅ ｓｉｎ ｎ ｔｅ ｃｏｓ ｔａｌ１ｉ ｔｅｂ ｓ．Ｔ ｅｌ ｅａｌｄ ｅｐ ｒｍｅ ｔ ｔｄ ｄ ｃ ｅ ｃ ｉｅｉｓａ ｉｎ ｙ ｍｉ ｏ ｓａ ｄ ｏｈ ｒｆ ｔｒ ，ｅｈ ｌ ｓ ｈ ｅｔ ｈ ｌ ｄ ｔｉ ｘ ｅｉ ｎａ ｓｕ ｙａ ｈ ｍｉａ ｋｎ ｔ － ｓ ａ Ｏ ｅ ｌ ｎ ｌ ｃ
通常， 在柴油生产 过程 中需要 加入 Ｄ Ｂ Ｔ Ｐ和 ２ ．
前 言
为了显著改善发动机的能量利用效率和最大程 度降低燃烧过程 的废气排放 ， 新一代 内燃机 均质充 量压缩 着火 （ Ｃ Ｉ ｈｍ ｇｎｕ ｃａ ｅｃｍ ｒ ｓ ｎ Ｈ Ｃ ， ｏ ｏｅｏｓ ｈｒ ｏ ｐｅ ｉ ｇ ｓｏ ｉ ｉ ｎ 燃烧理论 正受到越来越广泛的关注， ｇｔ ） ｎｉ ｏ 国内外 进行了大量 的研究 ¨ 。由于 Ｈ Ｃ 燃烧理论 的核 ］ ＣＩ
HCCI
均质充量压缩燃烧研究现状与存在的问题-廖水容在能源危机和环境保护的双重压力下, 人们对高效能、低污染动力源的需求与日俱增, 对柴车油机性能的要求越来越高。
但目前车用传统发动机从燃烧过程上无法同时降低 NOX 和碳烟的排放, 降低 NOX 排放导致温度降低, 不利于碳烟的氧化反应, 使碳烟排放量增加, 即不能同时解决碳烟和 NOX 生成的 trade-off 关系。
在这种情况下, 许多研究人员开始尝试一种预混合燃烧和低温燃烧相结合的新型燃烧方式: 依靠预混合燃烧形成的均匀混合气和低温燃烧较低的缸内温度来同时降低碳烟和 NOX 排放。
这种燃烧方式被称作均质压燃式燃烧方式, 即 HCCI( Homoge- neous Charge Compression Ignition) 。
1.HCCI 简介HCCI 的中文意思是“均质充量压缩点燃”。
从理论上讲, HCCI 燃烧过程中, 均匀的空气与燃料混合气及残余废气被压缩点燃, 燃烧在多点同步发生且无明显的火焰前锋, 燃烧温度比较均匀, NOX 和碳烟 PM 的形成能够被有效抑制。
2.种燃烧方式发动机的比较均质混合气压燃燃烧方式的出现, 有效地解决了传统均质稀薄点燃燃烧速度慢的缺点, 是有别于传统的汽油机均质点燃预混燃烧、柴油机非均质压燃扩散燃烧和 GDI 发动机分层稀薄燃烧方式的第四种燃烧方式。
3.HCCI 的优缺点HCCI 燃烧方式综合了传统的压燃式发动机和传统的火花点火式发动机的优点。
HCCI 燃烧方式的优点如下 1) 热效率高。
( 2) HCCI 燃烧与传统的柴油机相比, 可以减少90%～98%的 NOX 排放。
( 3) 据研究表明, HCCI燃烧会产生低水平的烟雾和微粒排放。
然而, HCCI 燃烧方式也具有如下缺点 1) 运行范围有限。
发动机采用HCCI 方式运行受到失火( 混合气过稀) 和敲缸( 混合气过浓) 的限制[ 2] 。
( 2) HC 和 CO 排放较高。
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文章编号:1000 0909(2005)01 0042 1023 007一个新的用于HCCI 发动机燃烧研究的正庚烷化学反应动力学简化模型黄豪中,苏万华(天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072)摘要:提出了一个新的适用于HCCI 发动机燃烧研究的正庚烷化学反应动力学简化模型,包含44种组分和72个反应。
由四个子模型组成:低温反应子模型是在L i 等人模型的基础上,定义具体的醛类(RCHO)产物和小分子碳氢产物(Rs)而构建;增加了用于链接低温反应向高温反应过渡的大分子直接裂解成小分子反应子模型;高温反应子模型是在Gr iffiths 等人模型的基础上,去除了无关的基元反应,增加两个关于CO 和CH 3O 的氧化反应而构建;此外,还采用了Golovitchev 简化模型中N O x 生成子模型。
新模型能够模拟正庚烷HCCI 燃烧的冷焰和热焰反应以及N O x 生成的整个过程,与详细模型计算结果吻合较好。
CPU 计算时间是详细模型的1/1000,为CFD 多维模型与化学反应动力学模型相耦合的燃烧计算提供了可行的途径。
关键词:正庚烷;HCCI ;化学反应;简化模型;燃烧;发动机中图分类号:T K 421.2 文献标识码:AA New Reduced C hemical Kinetic Model of N Heptane Combustionfor HC CI Engine S imulationsHUANG Hao zhong,SU Wan hua(State K ey Labor ator y of Engines,T ianjin U niversity ,T ianjin 300072,China)Abstract:T he paper presented a new r educed chemical kinetic model for the Homogeneous Charge Compr ession Ignition(HCCI)combustion when using n heptane as the fuel,T his model consi sts of 44species and 72reactions.T he reduced model includes four sub models,in w hich the sub model for low temper ature r eaction was established by determining particular aldehydes and small hy drocarbons in the L i model,the sub model for large molecules decomposing directly to small molecules w as developed for linking the low temperature reaction to the hig h temperature reaction,the sub model for high temper ature reaction was given thr ough some modifications to G riffiths model such as eliminat ing several r eactions and adding tw o ox idization react ions of CO and CH 3O ,the sub model for NO x formation from the Golovitchev reduced kinetic model was intro duced into the reduced model.T his reduced model could simulate the cool flame and hot flame combustion process of n heptane as well as NO x formation in HCCI engines,and the calculat ion results also agr eed well w ith those from the detailed model.T he computational time by using the reduced model is 1/1000to that using the detailed model.HCCI engine simulations using chemical r eaction w ith CF D ar e attainable by using this reduced model.Keywords:N heptane;HCCI;Chemical react ion;Reduced model;Combustion;Eng ine第23卷(2005)第1期 内燃机学报Transaction s of CSICEV ol.23(2005)N o.1收稿日期:2004 04 12;修订日期:2004 05 19。
基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(2001CB209202)。
作者简介:黄豪中(1976- ),男,博士研究生,主要研究方向为内燃机燃烧与数值模拟。
引言均质充量压燃(H omog enous Charge Compression Ig nition,HCCI)燃烧模式以具有热效率高和NO x及颗粒(PM)排放极低的突出优点而成为当前的研究热点[1-5]。
HCCI内燃机的着火燃烧过程主要受燃料与空气反应的化学动力学所控制[6],所以,要模拟计算H CCI着火燃烧过程,必须先构建详细可靠的燃料氧化反应动力学模型。
最近,美国Law rence Livermore国家实验室成功研究出了正庚烷氧化的详细化学反应动力学模型[7-8]。
该模型由544种组分和2446个化学反应组成。
由于正庚烷的十六烷值为56,与柴油近似,因此,该模型被用来研究柴油HCCI燃烧特性。
但是,在当前的计算机资源条件下,它与CFD多维模型相耦合的燃烧计算量太大,目前还只能求助于简化的动力学模型。
构建简化动力学模型的方法主要有三种:敏感性分析法、简化反应机理的软件自动生成法和集总法。
其中,采用集总法构建的简化动力学模型因简单实用而被广泛应用于工程实际当中[9]。
如Shell公司于1977年推出的Shell模型[10]。
此模型由8步反应机理组成,已经被广泛应用于内燃机自燃着火和敲缸过程的模拟研究。
但是,它对自燃着火过程细节的描述不足,适用温度范围和当量比范围窄。
因此,Hu Keck等人对其进行了改进,提出一个由13种组分和18个基元反应组成的Hu Keck模型[11]。
该模型适用的温度范围扩大到700K~1300K。
Griffiths等人研究发现,该模型能较准确的预测大分子燃料的着火延迟期,但是,预测的累积放热率和燃料反应率与实验结果相比,误差较大[12]。
为了解决这个问题,Li等人提出了一个Li模型[13]。
这个模型是在H u Keck模型基础上增加了7种组分和11个反应的扩展模型。
它较好解决了Hu Keck模型存在的不足之处。
但是, Zheng等人[14]的实验研究与计算结果对比表明,这个模型不能预测HCCI燃烧时高温反应过程。
为了能够详细描述燃料的高温反应过程,Griffiths 等人在其对烷烃自由基化学特性长期研究的基础上,提出了一个烷烃氧化的统一模型,亦称为Griffiths模型[15]。
该模型的内核是高温部分,它包含C1、C2和C3组分及OH、O、H和HO2的反应,可以模拟烷烃的高温氧化动力学过程。
上述模型中,无论是Li模型还是Griffiths模型,都不能单独对HCCI整个燃烧过程进行全面描述。
为了研究柴油H CCI整个燃烧过程,本文以正庚烷为燃料,在Li模型和Griffiths模型(高温部分)的基础上,尝试构建了一个能重现正庚烷氧化的具有低温反应、负温度系数(NTC)、高温反应和NO x生成的简化反应动力学模型,并对其进行了验证和敏感性分析。
1 简化模型的构建本文构建的正庚烷化学反应动力学简化模型包含氮氧化物(NO x)生成机理,由四个子模型组成,涉及44种组分和72个反应(见表1)。
每种组分的热力学参数和每个反应的化学反应速率常数均由美国La w r en ce L iv e r m o r e国家实验室所提供[7-8]。
1.1 低温反应和负温度系数(NTC)子模型低温反应和负温度系数(NTC)子模型是完全基于Li模型而构建的,由29个反应组成。
它能够模拟低温反应过程中各组分的变化,并预测着火时刻。
Zheng等人[16]的实验研究表明,正庚烷在中低温退化分解时,甲醛(H CHO)和丁醛(C3H7CHO)是其最主要的醛类(RCHO)产物, C2H3是其最主要的小分子碳氢产物(Rs),这样, Li模型中的反应OQ O=>2RCHO+Rs可以写成OQ O=>H CHO+C3H7CHO+C2H3(R10)最后构建的子模型见表1的反应R1到R29。
1.2 大分子直接裂解成小分子反应子模型我们已经知道,正庚烷氧化是一个退化分支链锁反应的过程,即高分子烃裂解成低分子烃,长链烃裂解成短链烃,由支链的或支链较多的烃裂解成无支链或少支链的烃等。
Griffiths等人[15]的实验结果获知高温反应主要是C1、C2和C3组分及OH、O、H和H O2的反应,因此,在低温反应和负温度系数(NT C)阶段生成的大分子中间产物(如C7H14O)在进行高温反应前必须先裂解成小分子烃。
432005年1月 黄豪中等:一个新的用于HCCI发动机燃烧研究的正庚烷化学反应动力学简化模型表1 正庚烷化学反应动力学简化模型(SKLE简化模型)Tab.1 Reduced chemical kinetic model of n heptane(SKLE Reduced chemical kinetic model)1.C7H16+O2<=>C7H15+HO237.OH+OH=>HO2+H2.C7H15+O2<=>C7H15OO38.H+O2+M=>HO2+M3.C7H15OO<=>C7H14OOH39.H O2+OH=>H2O+O24.C7H14OOH+O2<=>OOC7H14OOH40.OH+H+M=>H2O+M5.OOC7H14OOH=>OC7H13OOH+OH41.O+O+M=>O2+M6.C7H16+OH=>C7H15+H2O42.CO+O+M=CO2+M7.OC7H13OOH=>OC7H13O+OH43.CO+OH=CO2+H8.HO2+HO2=>H2O2+O244.CO+O2=CO2+O9.H2O2+M=>OH+OH+M45.H O2+CO=CO2+OH10.OC7H13O=>HCHO+C3H7CHO+C2H346.H CO+O2=>CO+HO211.C7H14OOH=>C3H7CHO+OH+C3H647.H CO+M=>CO+H+M12.C7H15OO+C3H7CHO=>C7H15OOH+C3H7CO48.H CHO+O=>HCO+OH13.HO2+C3H7CHO=>H2O2+C3H7CO49.H CHO+OH=>H CO+H2O14.C3H6+HO2=>C3H6O+OH50.H CHO+HO2=>HCO+H2O215.HO2+C7H16<=>C7H15+H2O251.H CHO+O2=>HCO+HO216.C7H15OO+C7H16<=>C7H15OOH+C7H1552.CH3+O2=>HCHO+OH17.C3H7CHO+OH=>H2O+C3H7CO53.C2H3+O2=>HCHO+HCO18.C3H7CO+M=>C3H7+CO+M54.C2H4+OH=>C2H3+H2O19.C3H7+O2<=>C3H7O255.C2H4+HO2=>C2H3+H2O220.C3H7O2=>C3H6+HO256.C2H5+O2=>C2H4+H O221.C3H7CHO+C3H7O2=>C3H7OOH+C3H7CO57.C3H5+O2=>C3H4+H O222.C7H16+C3H7O2<=>C3H7OOH+C7H1558.C3H4+OH=>C2H3+HCHO23.C3H7OOH=>C3H7O+OH59.C3H6+OH=>C3H5+H2O24.C3H7O+O2=>C3H6O+HO260.C3H6+O2=>C3H5+H O225.C7H14+OH+O2=>C3H7CHO+C2H5CHO+OH61.C3H6+HO2=>C3H5+H2O226.C7H15OOH=>C7H15O+OH62.C3H7=>C2H4+CH327.C7H15O=>C3H7+C3H7CHO63.CH3O+M=>HCHO+H+M28.C7H15OO=>C7H14+HO264.N+CO2=NO+CO29.C7H15OO=>C7H14O+OH65.N2+O=NO+N30.C3H6O=>C2H5+HCO66.N+O2=NO+O31.C3H7CHO+M=>C3H7+HCO+M67.NO+M=N+O+M32.C7H14O=>CH3O+C6H1168.NO+NO=N2+O233.C6H11=>C2H4+C4H769.N2O+M=N2+O+M34.C4H7=>C2H4+C2H370.N2O+O=N2+O235.C2H5CHO+M=>C2H5+HCO+M71.N2O+O=NO+NO36.H+O2<=>O+OH72.N2O+N=N2+NO低温反应和负温度系数(NTC)子模型给出的大分子中间产物有C3H6O、C3H7CH O、C7H14O和C2H5CHO。