內燃機燃料燃燒詳細化學反應動力學機理簡化研究.pdf

1、內燃機燃料的詳細化學反應動力學機理包含的物質和基元反應數目過多，使得在一般的計算機上的多維數值模擬變得有難度。涉及到燃燒的數值模擬，其計算的速度一般跟物質數目具有二次方關系，因此減小詳細機理中物質的數目對加快計算的速度具有明顯的促進作用。
　　傳統(tǒng)的CSP（Computational Singular Perturbation）算法只能計算化學反應過程上的一個時間或者空間點，對于像自燃反應器或者一維預混合層流火焰面等在時間上或者空

2、間上不均勻的反應器，傳統(tǒng)的CSP算法會出現(xiàn)問題?？紤]到一種物質如果反應物質的濃度太小或者反應的速度太快，該物質都將被視為準穩(wěn)態(tài)物質；同時也考慮到放熱率是表征反應的激烈程度的一個標志，本文基于傳統(tǒng)的CSP算法，提出了積分 CSP算法，該算法將物質的濃度，物質的凈生成速率和反應過程的放熱率作為積分權重因子，對時間上或者空間上的準穩(wěn)態(tài)物質標示符(radical pointer)進行積分，得到了表征整個反應過程的總的準穩(wěn)態(tài)物質標示符，并以此為標

3、準，得到最終的準穩(wěn)態(tài)物質，這些準穩(wěn)態(tài)物質將不會出現(xiàn)在最終的簡化機理中。
　　同時，積分 CSP算法在執(zhí)行之前，需要提供準穩(wěn)態(tài)物質的數目。本文提出了一種確定準穩(wěn)態(tài)物質的方法：先采用積分 CSP算法生成不同準穩(wěn)態(tài)物質數目下的簡化機理，然后再計算采用不同簡化機理時的著火延遲，并結合用戶自定義閾值來確定準穩(wěn)態(tài)物質的數目。
　　開發(fā)了一套基于積分 CSP算法的名叫 I-CSP的C++程序。該程序利用Chemkin生成的鏈接文件和計算結

4、果，利用Chemkin提供的一些接口函數讀取包括放熱率、壓力、各物質的濃度等信息，并計算物質的凈生成速率。再根據積分 CSP算法計算準穩(wěn)態(tài)物質標示符(radical pointer)和快速反應標示符(fast reaction pointer)，然后確定準穩(wěn)態(tài)物質和相應的快速反應，最后生成簡化機理。I-CSP源代碼可以方便地予以修改和擴展，可以手動指定準穩(wěn)態(tài)物質和快速反應，大部分計算采用矩陣計算的方式，書寫比較直觀方便。生成的簡化機理與

5、Chemkin耦合，可以方便的驗證簡化機理的有效性。
　　采用積分 CSP算法，對包含一個碳原子的燃料甲烷進行了簡化，采用著火延遲自定義閾值為5％，得到23種物質18步反應的簡化機理。然后在PSR、自燃反應器和一維預混合層流火焰面中，在不同的壓力、溫度、燃空比和質量流量下對簡化機理進行了驗證，證明了簡化機理的有效性。同時，采用自定義閾值5%對簡化機理進行“修剪”，去掉大量對反應系統(tǒng)影響較小的反應，得到進一步優(yōu)化的簡化機理。并與通過

6、其它方式得到的簡化機理作比較，結果顯示，“修剪”能夠在保證機理準確性的基礎上較大幅度提高簡化機理的計算效率。
　　采用積分 CSP算法，對包含兩個碳原子的燃料二甲醚進行了簡化，采用著火延遲自定義閾值為5%，得到26種物質20步反應的簡化機理。然后在PSR、自燃反應器和一維預混合層流火焰面中，在不同的壓力、溫度、燃空比和質量流量下對簡化機理進行了驗證。同時在6114發(fā)動機上，利用AVL Fire軟件進行了三維 CFD計算，比較了采用

7、簡化機理和詳細機理的計算結果，并與試驗值作比較，結果證明了簡化機理的有效性。
　　采用積分 CSP算法，對包含多個碳原子的燃料正丙醇和正庚烷進行了簡化，采用著火延遲自定義閾值為5%，分別得到了123種物質117步反應和239種物質234步反應的簡化機理。然后在PSR和自燃反應器中，在不同的壓力、溫度和燃空比下對簡化機理進行了驗證。同時，在快速壓縮機中比較了壓力、HC和CO的試驗值和利用Chemkin得到的計算值，結果證明了簡化機理

8、的有效性。
　　基于AVL公司的Fire軟件，采用本文推導的二甲醚燃燒反應簡化機理，針對二甲醚發(fā)動機數值模擬了缸內燃燒和排放的細節(jié)，并在發(fā)動機臺架進行試驗，證明模擬計算結果同臺架試驗實測結果基本吻合，驗證了計算模型和簡化機理的正確性；數值模擬了電控二甲醚發(fā)動機缸內過程，得到1570r/min不同負荷下的二甲醚濃度場，缸內溫度場和CO濃度場；在WP6.210電控二甲醚發(fā)動機做燃燒試驗，獲取缸內壓力、壓力升高率、缸內溫度、放熱率、燃燒