燃料自燃及其對(duì)燃燒過程的影響研究.pdf

1、自燃是燃料化學(xué)動(dòng)力學(xué)控制的基本燃燒現(xiàn)象，對(duì)火焰?zhèn)鞑ズ腿紵Ｊ睫D(zhuǎn)變等起著非常重要的作用?，F(xiàn)代汽油機(jī)在小型強(qiáng)化趨勢下對(duì)缸內(nèi)平均有效制動(dòng)壓力的要求不斷提高，這使得汽油機(jī)發(fā)生異常燃燒現(xiàn)象的可能性顯著增加，如爆震和超級(jí)爆震。從本質(zhì)上講，這些異常燃燒現(xiàn)象都是由熱點(diǎn)（或冷點(diǎn)）自燃引發(fā)的、混合氣發(fā)生劇烈燃燒、并伴隨局部壓力突變和壓力波（或沖擊波）傳播的復(fù)雜燃燒過程。盡管國內(nèi)外圍繞汽油機(jī)爆震燃燒和混合氣自燃等內(nèi)容開展了廣泛研究，但是從混合氣發(fā)生自燃到最終

2、形成爆震之間的燃燒過程和強(qiáng)壓力波的產(chǎn)生機(jī)理仍然不明確，這是限制研究者清楚理解爆震燃燒機(jī)理和解決爆震現(xiàn)象的關(guān)鍵科學(xué)問題。因此，本文從基本燃燒理論出發(fā)，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件下的燃料自燃特性及其對(duì)燃燒過程的影響進(jìn)行了深入的研究。研究結(jié)果將有助于理解發(fā)動(dòng)機(jī)異常燃燒現(xiàn)象的形成機(jī)理，為實(shí)際燃燒動(dòng)力裝置的優(yōu)化和調(diào)控提供重要的理論支撐和工程指導(dǎo)。
　　首先，從汽油機(jī)爆震的基本燃燒現(xiàn)象出發(fā)，初步探究了自燃和爆震燃燒的影響關(guān)系?；谌S數(shù)值模擬建立了汽

3、油機(jī)爆震燃燒仿真平臺(tái)，分析了爆震時(shí)缸內(nèi)高頻壓力振蕩的產(chǎn)生機(jī)理以及末端氣體自燃和爆震燃燒的影響關(guān)系，研究了關(guān)鍵參數(shù)冷廢氣再循環(huán)(EGR)、進(jìn)氣增壓和壓縮比及三者協(xié)同作用對(duì)汽油機(jī)爆震燃燒特性的影響。研究結(jié)果表明:本文所建立的三維數(shù)值仿真平臺(tái)能夠準(zhǔn)確模擬汽油機(jī)爆震燃燒過程，包括瞬時(shí)缸內(nèi)壓力、壓力振蕩及其頻率分布特性;與其他壓力產(chǎn)生源項(xiàng)比較，末端氣體自燃化學(xué)反應(yīng)對(duì)壓力振蕩的貢獻(xiàn)最大;通過缸內(nèi)壓力振蕩的起點(diǎn)和幅值等特性能夠準(zhǔn)確獲得末端氣體自燃和發(fā)

4、動(dòng)機(jī)爆震燃燒之間的影響關(guān)系;提高進(jìn)氣增壓和壓縮比能夠顯著改善發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性，但會(huì)造成缸內(nèi)高頻壓力振蕩，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈爆震;由于EGR的熱力學(xué)作用和稀釋作用能夠很好地控制燃燒過程，通過引入適量的冷EGR參與燃燒能夠在不顯著影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的前提下有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)爆震強(qiáng)度。
　　其次，從燃料的自燃特性出發(fā)，討論了低溫自燃和高溫自燃的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，分析了燃料性質(zhì)、流場參數(shù)及其不均勻性對(duì)不同燃料自燃特性的影響，結(jié)合燃燒化學(xué)理論提出了快速準(zhǔn)確求解

5、兩階段自燃滯燃期的方法，對(duì)原始Livengood-Wu積分假設(shè)進(jìn)行了理論分析、并基于HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫和高溫自燃發(fā)生時(shí)刻對(duì)兩階段Livengood-Wu方法的適用性進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明:大分子碳?xì)淙剂鲜茇?fù)溫度系數(shù)(NTC)的影響表現(xiàn)出明顯的兩階段自燃過程;標(biāo)準(zhǔn)參考燃料的辛烷值與低溫化學(xué)反應(yīng)特性存在更為密切的關(guān)系，單純辛烷值指標(biāo)不能準(zhǔn)確衡量燃料的自燃滯燃期;H2和NOx作為添加氣體對(duì)低溫自燃和高溫自燃的影響呈現(xiàn)相反關(guān)系;低溫自燃特性

6、與流場初始參數(shù)之間存在密切關(guān)系，根據(jù)這些特點(diǎn)并結(jié)合燃燒化學(xué)理論提出了快速求解兩階段自燃滯燃期的Arrhenius型經(jīng)驗(yàn)公式;流場中混合氣的溫度、壓力和當(dāng)量比的不均勻性都會(huì)對(duì)自燃火焰?zhèn)鞑ヌ匦援a(chǎn)生重要影響，但是不同參數(shù)的不均勻性對(duì)自燃火焰?zhèn)鞑サ挠绊戧P(guān)系不同;理論分析表明Livengood-Wu積分方法并不嚴(yán)格局限于零階化學(xué)反應(yīng)過程，并且在一定的工況范圍內(nèi)，無論自燃發(fā)生在壓縮沖程還是膨脹沖程，本文所提出的兩階段Livengood-Wu積分方法

7、都能準(zhǔn)確地預(yù)測到HCCI發(fā)動(dòng)機(jī)低溫和高溫自燃的發(fā)生時(shí)刻。
　　第三，基于一臺(tái)可視化定容燃燒彈和可控加熱裝置開展了末端氣體自燃對(duì)初始自燃火焰?zhèn)鞑ヌ匦约叭紵^程影響的試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的可控加熱裝置能夠穩(wěn)定地控制混合氣加熱過程，從而實(shí)現(xiàn)了不同條件下可燃混合氣可控自燃的目的;與火花點(diǎn)燃的初始火焰前鋒相比，自燃火焰前鋒受到周圍混合氣初始自燃反應(yīng)的影響，其初始火焰?zhèn)鞑ニ俣雀哌_(dá)上百米每秒;與正常燃燒過程相比，末端氣體自燃能夠大幅度

8、提高缸內(nèi)壓力升高率和最大爆發(fā)壓力，縮短燃燒持續(xù)期，從而強(qiáng)化了整個(gè)燃燒過程;但劇烈的末端氣體自燃化學(xué)反應(yīng)會(huì)激發(fā)局部壓力突變，產(chǎn)生壓力波或者沖擊波，造成缸內(nèi)壓力振蕩現(xiàn)象，而且初始?jí)毫υ礁?，壓力振蕩越劇烈?br>　　第四，基于一維數(shù)值模擬深入研究了燃料的單、兩階段自燃以及添加氣體對(duì)穩(wěn)態(tài)火焰結(jié)構(gòu)、火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿紵Ｊ降挠绊懀瑢?duì)比分析了有限封閉燃燒空間中單、多熱點(diǎn)自燃對(duì)瞬態(tài)燃燒過程的影響，深入探索了火焰?zhèn)鞑ァ⒆匀己蛪毫Σㄏ嗷プ饔脤?duì)爆震燃燒過程

9、中自燃的產(chǎn)生機(jī)理、發(fā)展模式和爆震強(qiáng)度等的重要作用。研究結(jié)果表明:初始自燃反應(yīng)對(duì)火焰前鋒傳播速度和燃燒模式具有重要影響，隨著初始自燃反應(yīng)程度的增加，流場的輸運(yùn)特性對(duì)火焰?zhèn)鞑サ目刂谱饔弥饾u被燃料的化學(xué)反應(yīng)所取代，使得火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著增加，燃燒模式從緩燃向瞬間自燃(Spontaneous ignition)轉(zhuǎn)變;火焰?zhèn)鞑ヒ矔?huì)受到NTC的影響而表現(xiàn)出冷火焰和高溫火焰兩階段火焰前鋒特性，并且在初始自燃反應(yīng)和NTC特性的影響下，火焰前鋒傳播速度會(huì)出

10、現(xiàn)加速現(xiàn)象;H2能夠顯著抑制低溫自燃而促進(jìn)高溫自燃，并在一定范圍內(nèi)有效抑制燃燒模式的轉(zhuǎn)變;單熱點(diǎn)和多熱點(diǎn)自燃在本質(zhì)上沒有區(qū)別，但在多熱點(diǎn)自燃條件下存在多個(gè)火焰前鋒和壓力波的相互傳播，這使得整個(gè)燃燒過程極不穩(wěn)定，在流場多處產(chǎn)生較強(qiáng)的局部壓力突變;發(fā)動(dòng)機(jī)爆震是一個(gè)涉及火焰?zhèn)鞑?、自燃和壓力波相互作用的?fù)雜燃燒過程，隨著初始溫度的增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@提高，自燃發(fā)生位置逐漸從末端壁面附近向主火焰前鋒處轉(zhuǎn)移，這是由于燃燒過程產(chǎn)生壓力波擾動(dòng)所導(dǎo)致的

11、熱力學(xué)不均勻性促使末端混合氣發(fā)生自燃，而壓力波和火焰結(jié)構(gòu)的相互作用也會(huì)促使火焰預(yù)熱區(qū)內(nèi)局部混合氣發(fā)生自燃，隨后自燃火焰前鋒和壓力波相互作用使得燃燒模式從緩燃狀態(tài)向爆轟(Detonation)模式轉(zhuǎn)變;自燃和火焰?zhèn)鞑ミ^程都會(huì)受到NTC化學(xué)反應(yīng)的影響而表現(xiàn)出二階段燃燒特性，隨著初始溫度在NTC區(qū)域增加，自燃位置從火焰前鋒處逐漸向末端壁面附近轉(zhuǎn)移，伴隨著明顯的燃燒模式和爆震強(qiáng)度的變化;處于NCT區(qū)域內(nèi)的自燃能夠產(chǎn)生以超聲速傳播的爆轟波，而即使