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原文传递微引燃柴油/天然气双燃料发动机化学反应动力学机理与燃烧特性研究

论文题名：	微引燃柴油/天然气双燃料发动机化学反应动力学机理与燃烧特性研究
关键词：	船用发动机;柴油燃料;天然气;化学反应动力学;燃烧性能
摘要：	严峻的能源环境局势以及严苛的船舶排放法规，使天然气发动机技术得到了重视。其中柴油/天然气双燃料发动机具有较高的功率密度又能降低排放，在船用发动机市场得到了广泛应用。此外鉴于传统柴油燃烧排放问题，为了在保证较高的热效率的同时，降低柴油/天然气双燃料发动机排放，低温燃烧技术得到了广泛关注。其中RCCI燃烧模式可通过良好的燃烧相位和放热速率控制，拓展双燃料发动机的运行范围，并有希望满足未来更为严苛的排放法规。然而RCCI燃烧模式依旧存在高负荷工作粗暴以及低负荷未燃HC和CO排放高的问题，针对燃油喷射参数对缸内混合气分层及燃烧具体影响的详细研究依然较少。此外，目前对其柴油/天然气混合气着火以及燃烧过程机理的认识尚不清晰。因此构建更为准确的柴油/天然气燃料反应模型，并揭示相应的燃烧化学动力学过程，在此基础上开展喷射参数对RCCI模式影响的研究，对优化船用微引燃双燃料发动机在RCCI模式下的燃烧及排放具有重要意义。　　首先，针对柴油以及天然气燃料的物化性质，分别选取正十二烷、甲基环己烷以及甲苯作为柴油表征组分，甲烷作为天然气表征组分，根据所研究双燃料发动机工况数据，确定了机理简化研究工况范围。以直接关系图法、基于误差传播的直接关系图法和全局敏感性分析方法作为机理简化方法组合，分别对各组分详细机理在选定工况点进行了简化。之后基于着火延迟期、层流火焰速度以及重要中间组分浓度实验数据，对各个组分简化机理进行对比了全面的验证研究。通过对各分组分简化机理的合并，构建了包含150个组分、776个基元反应的多组分柴油/天然气双燃料燃烧机理模型。　　其次，进行了柴油表征组分大分子之间交叉反应研究，选取生成的双燃料简化机理模型，通过反应路径分析得到了交叉反应主要参与组分，并确定了具体交叉基元反应，再根据热力学相关理论以及研究数据，对机理模型中交叉反应系数进行补充，生成了71个交叉反应，从而构建了带有交叉反应的双燃料简化机理，包含150种组分，847个基元反应。在此基础上，在不同温度、压力、当量比下，开展了交叉反应对柴油组分着火过程的影响进行了研究，研究发现:在中低温条件下，交叉反应对着火的影响更为明显，且随着初始温度的升高，交叉反应的影响会出现减弱。此外交叉反应对着火过程的影响对初始压力的变化不敏感，随着当量比的增加特别是在低温条件下，交叉反应的影响也会增强。　　为了进一步研究交叉反应对着火过程的影响机制，通过柴油组分反应通量计算，明确了其在有无交叉反应时柴油组分主要演化途径的差异，结合关键中间产物生成消耗过程的敏感性分析以及浓度分析，确定了交叉反应对燃烧影响的关键基元反应，并全面总结了有无交叉反应时柴油组分主要演化途径差异性的变化规律。分析结果表明，组分在较低温度下，总体反应活性较低，交叉反应可以加速柴油组分中间产物的反应及生成，特别是对于正十二烷组分，交叉反应能够较大程度提高其重要次级产物的反应比例，加速燃烧过程后期中小分子活性组分的生成速率，从而降低着火延迟期;但在较高反应温度下，基元反应速率大大提高，使得交叉反应并没有显著提高关键中间产物的反应速率，因此交叉反应对着火的影响非常有限。　　最后，利用三维建模软件建立了采用两次柴油喷射策略的6K系列微引燃柴油/天然气双燃料发动机几何模型，通过CFD软件对双燃料发动机在25％负荷和75％负荷工况进行了数值模拟及验证。结果对比表明带有交叉反应的简化机理可以更准确地描述双燃料发动机的燃烧过程。利用带有交叉反应的多组分机理模型，结合不同温度下柴油及天然气组分关于主要污染物生成路径的分析，对不同柴油喷射参数对于柴油/天然气双燃料发动机燃烧特性以及排放物生成的影响进行了研究，其中一次喷射正时为60℃ABTDC至20℃A BTDC，一次喷射柴油比例为20％至80％，二次喷射正时为-15℃A ATDC至5℃A ATDC。结果表明在低负荷下，一次喷射正时的提前促进了一次喷射柴油低温反应生成的OH离子的扩散，CH4得到了充分燃烧，缸内温度场相对均匀，抑制了NO的生成;随着一次喷射比例的增加，柴油预混燃烧比例增加，促进了燃料低温氧化路径，燃烧始点相位提前，但导致主燃期过早，产生过多的负功。高负荷下由于燃烧持续期较短，燃烧温度较高，高温反应路径得到加强，不同一次喷射正时导致的燃烧过程差异性较低。一次喷射比例过高反而会造成着火时刻的延后，二次喷射柴油引燃能量的不足也会造成CO排放上升;一次喷射比例过小时，缸内高反应活性组分浓度较低，柴油一次喷射对主燃期作用降低，造成未燃CH4增多。不同负荷下随着二次喷射正时的提前，燃烧时刻大幅提前，缸压峰值提高;二次喷射正时滞后至压缩上止点或者之后时，虽然会降低NO排放，但由于严重的后燃导致燃料高温反应路径受到了限制，未燃CH4及CO排放有所增加。
作者：	刘振廷
专业：	轮机工程
导师：	宋恩哲
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2021