汽油压燃燃烧过程数值模拟研究

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汽油压燃(GCI)被众多研究证明通过合理组织燃烧能够在较宽广的工况范围内同时实现较高的热效率和较低的排放。目前的3-D CFD软件可以绘制缸内压力、放热率、温度以及物种的空间分布,然而不能直接用于探索化学动力学过程,导致GCI数值模拟方面的研究主要集中在喷油策略、边界条件等对燃烧相位、最大压升率以及排放的影响规律。本文通过将三维CFD软件CONVERGE和化学动力学软件CHEMKIN耦合,提取CONVERGE物理空间计算结果在CH EMKIN零维动力学计算中进行了关键组分化学反应路径和关键基元反应放热率的分析,深入研究了汽油压燃燃烧反应化学动力学过程。本文通过研究发现以PRF70为燃料的汽油压燃燃烧过程的低温氧化过程和负温度系数区不明显,燃烧过程主要包含着火准备阶段和着火阶段。之后对着火准备阶段主要放热反应和主要反应物的消耗路径进行分析。结果表明,在着火准备阶段,HCO+O2=CO+HO2、CH2O+OH=HCO+H2O和CH2CCH2OH+O2=CH2OH+CO+CH2O是对总放热率贡献最大的三个反应,其放出的热量远大于其它反应。对于PRF70燃料,IC8H18和NC7H16参与夺氢的自由基主要有4种,分别是HO2、OH、H和O。不同曲轴转角处各个自由基夺氢反应所占百分比略有不同。H O2夺氢反应所占比例始终占第一位。H和O参与的夺氢反应所占比例随曲轴转角增加而增加,相应的OH参与的夺氢反应所占比例随曲轴转角增加而减少。在着火准备阶段,随着曲轴转角的变化,缸内温度升高,异辛烷发生高温裂解的比例增加,发生低温氧化反应的比例减少。随着燃烧过程的进行,着火阶段开始。结果表明,着火阶段对总的放热率贡献最大的三个反应是HO2+O=OH+O2、H+O2(+M)=HO2(+M)和O+H2O=2OH,这三个反应都属于H2-O2反应体系,进一步证明在着火阶段,H2-O2反应体系的反应占主导地位。选取OH作为本文的火焰面表征自由基来研究汽油压燃燃烧过程火焰的发展过程,观察到在汽油压燃燃烧过程初期存在着与SI类似的火焰边界传播过程。对比分析第一次喷射比例为25%和50%算例发现,第一次喷射比例越大,缸内混合气浓度分层越小,缸内混合气越均匀,着火前期着火点所在的当量比区域更倾向于稀燃料区,且更容易出现多点自燃。
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