国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

基于Chemkin的甲烷HCCI燃燒模擬研究

2011-07-03 10:48陳志方常耀紅
北京汽車(chē) 2011年5期
關(guān)鍵詞:壓縮比當(dāng)量缸內(nèi)

陳志方,常耀紅

Chen Zhifang,Chang Yaohong

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,安徽合肥 230009)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和汽車(chē)保有量的增加,給社會(huì)帶來(lái)了一系列的能源與環(huán)境問(wèn)題,對(duì)于內(nèi)燃機(jī)工作者來(lái)說(shuō),尋找新的燃燒方式與可替代燃料成為日益緊迫的任務(wù)。

均質(zhì)壓縮燃燒(HCCI)是一種全新的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒方式。其主要特點(diǎn)是在整個(gè)燃燒室內(nèi)進(jìn)行同步壓縮點(diǎn)燃,沒(méi)有火焰?zhèn)鞑ミ^(guò)程。這種燃燒方式既具有傳統(tǒng)柴油機(jī)燃料利用率高的特點(diǎn),又具有傳統(tǒng)汽油機(jī)有害排放低的特點(diǎn)。在降低油耗和排放方面有巨大的潛力[1]。HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒溫度低,能大幅降低氮氧化物(NOX)排放,且由于燃燒持續(xù)期短,大部分的燃燒發(fā)生在上止點(diǎn)附近,提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率[2];我國(guó)天然氣(主要成分是甲烷)儲(chǔ)量相對(duì)豐富,甲烷的辛烷值高,具有很高的抗爆性能,有利于提高壓縮比。同時(shí)甲烷燃燒產(chǎn)生的有害排放少,可以實(shí)現(xiàn)清潔燃燒[3]。因此,甲烷作為可替代燃料受到越來(lái)越多的關(guān)注。

缸內(nèi)燃燒工況與發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)有很大的關(guān)系,這就需要尋求合適的參數(shù)以?xún)?yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒。文中模擬了甲烷HCCI燃燒的過(guò)程,研究了各個(gè)參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響,力求找到最優(yōu)化的方案,以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放的最優(yōu)化。

1 模型建立

基于化學(xué)反應(yīng)模擬軟件Chemkin,模擬HCCI條件下甲烷的燃燒特性。

1.1 反應(yīng)機(jī)理

為研究甲烷HCCI燃燒的NOX排放,在甲烷燃燒機(jī)理的基礎(chǔ)上,添加了NOX的生成機(jī)理,構(gòu)成了新的甲烷燃燒機(jī)理。文中涉及的機(jī)理由96種組分和396個(gè)化學(xué)反應(yīng)組成。

1.2 C he mkin程序模型

利用Chemkin軟件研究如氣缸這樣的封閉系統(tǒng)時(shí),需要先根據(jù)熱力學(xué)定律寫(xiě)出能量守恒方程。方程中的變量可以直接從Chemkin求解器中得到,通過(guò)求解常微分方程的一般方法來(lái)求解能量方程。

文中的模擬研究采用九區(qū)無(wú)質(zhì)量交換模型。在此模型中,各區(qū)間的相互作用只有通過(guò)體積做功才能得到,通過(guò)將熱力學(xué)第一定律Q-W=Δ U和理想氣體狀態(tài)方程P V=m R T結(jié)合起來(lái),將每一區(qū)域的控制方程可以寫(xiě)成公式(1)的形式:

其中,下標(biāo)i為區(qū)域,j為各區(qū)域的化學(xué)物質(zhì)。n和k分別為區(qū)域和化學(xué)物質(zhì)的總數(shù),CP和Rˉ分別為恒壓條件下各區(qū)的平均比熱容和平均氣體常數(shù),T、ρ,m和Qhli分別為各區(qū)的溫度、密度、質(zhì)量和熱量損失速率,u、ω和M是每種化學(xué)物質(zhì)的內(nèi)能、摩爾產(chǎn)率和分子量,V為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸總?cè)莘e,t為時(shí)間。

不考慮各區(qū)間的質(zhì)量交換,燃燒室和氣缸壁的熱交換可以由熱交換方程求得。

其中,T為氣缸內(nèi)的平均溫度,TW為氣缸壁的溫度,A為表面積,hc為可由Woschni方程得到的熱交換系數(shù)。

1.3 幾何模型

理論上缸內(nèi)幾何模型區(qū)域劃分越多,內(nèi)燃機(jī)燃燒特性與排放的模擬結(jié)果越接近實(shí)際情況,但是會(huì)直接導(dǎo)致模擬時(shí)間變得冗長(zhǎng)[3]。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度和組分的差異,建立九區(qū)模型進(jìn)行模擬;設(shè)定每一區(qū)的質(zhì)量恒定,各區(qū)域之間的相互作用僅有體積功。幾何模型如圖1所示,1區(qū)為罅隙區(qū);2區(qū)為邊界層區(qū);3區(qū)為外核心區(qū);4~9區(qū)為內(nèi)核心區(qū)。

模擬所用發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)如表1所示。

表1 模擬發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 進(jìn)氣壓力的影響

保持其它參數(shù)不變,將進(jìn)氣壓力分別設(shè)置為110 kPa (1.1 bar),130 kPa (1.3 bar),150 kPa(1.5 bar)。

由圖2(a)可以看出,隨著進(jìn)氣壓力的增加,放熱率變化不大,但燃燒始點(diǎn)有所提前。例如,進(jìn)氣壓力為130 kPa時(shí)的著火時(shí)刻要比進(jìn)氣壓力為110 kPa時(shí)的著火時(shí)刻提前1.2°,但比150 kPa時(shí)延遲了1.3°曲軸轉(zhuǎn)角。從圖2(b)可以看出,進(jìn)氣壓力對(duì)缸內(nèi)壓力的影響較大。隨著進(jìn)氣壓力的增加,缸內(nèi)壓力峰值顯著增加,這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度造成影響[4]。

與缸內(nèi)壓力變化不同,缸內(nèi)的溫度沒(méi)有受到進(jìn)氣壓力的顯著影響,溫度峰值基本維持不變。如圖2(d)所示,隨進(jìn)氣壓力的增加,受溫度影響較大的NO排放也保持在一定的數(shù)量級(jí)范圍內(nèi),變化不大。由此可見(jiàn),增壓對(duì)HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)是一項(xiàng)十分具有吸引力的措施[5],但是進(jìn)氣壓力的提高幅度受發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械強(qiáng)度的限制。

2.2 進(jìn)氣溫度的影響

保持其它參數(shù)不變,進(jìn)氣溫度分別設(shè)置為530 K,550 K,570 K。

圖3(a)顯示了不同進(jìn)氣溫度下缸內(nèi)放熱率變化,從圖中可以看出,隨著進(jìn)氣溫度的增加,放熱率逐漸增大。從3(b)中看出,隨著進(jìn)氣溫度的增加,滯燃期縮短,燃燒提前。進(jìn)氣溫度每增加20 K,著火時(shí)刻提前約4°。另外,缸內(nèi)溫度也隨著進(jìn)氣溫度的增加而升高。例如,進(jìn)氣溫度為570 K時(shí)缸內(nèi)溫度高于1 800 K,比進(jìn)氣溫度為530 K時(shí)增加了近90 K。

從圖3(c)看出,隨進(jìn)氣溫度的增加,滯燃期明顯縮短,但缸內(nèi)峰值壓力有所降低。峰值壓力減小的原因可能是由于初始進(jìn)氣溫度為570 K和550 K時(shí),著火發(fā)生在上止點(diǎn)前,此時(shí)缸內(nèi)的溫度和壓力都不是太高,壓力增加相對(duì)較小,當(dāng)初始溫度為530 K時(shí),燃燒發(fā)生在上止點(diǎn)附近,造成缸內(nèi)壓力增加較大。在排放方面,因?yàn)楫?dāng)進(jìn)氣溫度為570 K時(shí),缸內(nèi)最高溫度大于1 800 K,此時(shí)NO生成加速,造成570 K時(shí)NO曲線急劇上升,如圖 3(d)所示。

2.3 壓縮比的影響

保持其它參數(shù)不變,將壓縮比分別設(shè)置為12,13.5 和 15。

從圖4(a)可以看出,提高壓縮比可使著火始點(diǎn)提前,燃燒持續(xù)期變短。但是,隨著壓縮比的增大,著火始點(diǎn)的提前幅度逐漸變小。另外,隨著壓縮比的增大,放熱率增大,熱效率也有所提高。因此,在不同的工況下,可以通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮比來(lái)控制著火時(shí)刻。

隨著壓縮比的增加,缸內(nèi)的最高溫度和壓力也隨之增加,尤其是壓力升高明顯。壓縮比為15時(shí),缸內(nèi)最高溫度超過(guò)1800 K,NO排放較多。但是,相比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī),其N(xiāo)O排量依然很低。壓縮比對(duì)HCCI正常燃燒有重要作用,但壓縮比過(guò)高,會(huì)造成燃燒惡化,NO排放增加。因此必須選定合適的壓縮比,以保證甲烷實(shí)現(xiàn)高效、低污染的HCCI燃燒方式。

2.4 燃空當(dāng)量比的影響

保持其它參數(shù)不變,分別將燃空當(dāng)量比設(shè)置為 0.25,0.30 和 0.35。

由圖5(a)可以看出,隨著燃空當(dāng)量比的增大,混合氣濃度增加,放熱率顯著增大,但著火時(shí)刻有所延遲。這是由于隨著燃空當(dāng)量比的增加,空氣在混合氣中所占的比例變小,混合氣的平均比熱增大,壓縮過(guò)程中溫度上升慢,造成著火延遲。

隨著燃空當(dāng)量比的增加,缸內(nèi)最高溫度、壓力顯著增加,這與混合氣濃度增大、放熱增多有關(guān)。從圖5(b)和圖5(d)可以看出,當(dāng)燃空當(dāng)量比為0.25和0.30時(shí),缸內(nèi)最高溫度均低于1 800 K,NO排放較少;當(dāng)燃空當(dāng)量比為0.35時(shí),缸內(nèi)溫度高于1 800 K,NO排放顯著增加。由此可見(jiàn),燃空當(dāng)量比對(duì)NO排放起著至關(guān)重要的作用。因此,甲烷實(shí)施HCCI燃燒方式時(shí),需要選擇合適的當(dāng)量比,以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的工作和排放要求。

3 結(jié)論

基于化學(xué)反應(yīng)模擬軟件Chemkin,引入包含NOX生成機(jī)理的甲烷氧化詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,模擬研究了甲烷HCCI燃燒過(guò)程。研究結(jié)論如下:

(1)提高進(jìn)氣壓力,會(huì)導(dǎo)致HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)著火提前,缸內(nèi)壓力升高明顯,而缸內(nèi)溫度和NO排放的變化不大。因此,增壓對(duì)甲烷HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)是一項(xiàng)十分具有吸引力的措施,但要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度要求。

(2)增加進(jìn)氣溫度可以提高甲烷HCCI燃燒的效率,造成著火提前,同時(shí)也會(huì)提高缸內(nèi)溫度和壓力。但是進(jìn)氣溫度過(guò)高會(huì)造成缸內(nèi)峰值燃燒溫度高于1 800 K,導(dǎo)致NO排放升高。因此,在不同工況下要選擇合適的進(jìn)氣溫度,以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和排放性。

(3)增大壓縮比也可提高燃燒效率,增加缸內(nèi)溫度。但增大壓縮比會(huì)造成峰值壓力急劇升高,給發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度帶來(lái)挑戰(zhàn)。因此,在保證排放的前提下,需要在不同工況下選擇合適的壓縮比。

(4)適當(dāng)?shù)娜伎债?dāng)量比能夠使著火延遲,燃燒效率增大。不過(guò),增加燃空當(dāng)量比容易造成缸內(nèi)溫度過(guò)高,NO排放增加,因此在使用大燃空當(dāng)量比時(shí),需要采取適當(dāng)措施來(lái)降低缸內(nèi)溫度,以減少NO排放。

[1]蘇萬(wàn)華,趙華,王建昕.均質(zhì)壓燃低溫燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)理論與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

[2]趙志國(guó),王生昌,劉曉亮.均質(zhì)充氣壓縮點(diǎn)燃(HCCI)技術(shù)及其在汽油機(jī)上的應(yīng)用[J].北京汽車(chē),2008.

[3]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)(第二版)[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[4]黎幸榮,左承基.基于Chemkin的二甲醚HCCI燃燒模擬[C].中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)第七屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2007.10.

[5]Shadi Gharahbaghi,Trevor S.Wilson,Hongming Xu,Simon Cryan,Steve Richardson,Miroslaw L.Wyszynski,Jacek Misztal.Modelling and Experimental Investigations of Supercharged HCCI Engines[C].SAE Paper 2006-01-0634,2006.

猜你喜歡
壓縮比當(dāng)量缸內(nèi)
質(zhì)量比改變壓縮比的辛烷值測(cè)定機(jī)
某新型航空材料加速腐蝕當(dāng)量關(guān)系試驗(yàn)研究
EGR對(duì)高壓共軌柴油機(jī)晚噴燃燒特性的影響
缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒和爆震仿真分析
汽車(chē)4S店財(cái)務(wù)管理與監(jiān)控要點(diǎn)分析
乙醇缸內(nèi)直噴加熱技術(shù)對(duì)乙醇缸內(nèi)直噴與進(jìn)氣道噴射組合發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放的影響
壁面噴射當(dāng)量比對(duì)支板凹腔耦合燃燒的影響
低溫廢氣再循環(huán)及低壓縮比對(duì)降低歐6柴油機(jī)氮氧化物排放的影響
高幾何壓縮比活塞的燃燒室形狀探討
采用兩級(jí)可變壓縮比系統(tǒng)提高車(chē)用汽油機(jī)的效率
黔东| 壤塘县| 忻城县| 博乐市| 陵川县| 都安| 阳谷县| 黎城县| 恩平市| 丹阳市| 泽库县| 克东县| 织金县| 无棣县| 隆回县| 蓬安县| 家居| 庄浪县| 麦盖提县| 淮安市| 邵武市| 郴州市| 驻马店市| 永善县| 康定县| 涪陵区| 汉寿县| 周宁县| 南宫市| 庄浪县| 阳谷县| 三门县| 竹北市| 南澳县| 苍南县| 阳春市| 抚宁县| 嘉禾县| 衡南县| 巧家县| 祁阳县|