燃料自燃及其對燃燒過程的影響研究.pdf

1、自燃是燃料化學(xué)動力學(xué)控制的基本燃燒現(xiàn)象，對火焰?zhèn)鞑ズ腿紵Ｊ睫D(zhuǎn)變等起著非常重要的作用?，F(xiàn)代汽油機在小型強化趨勢下對缸內(nèi)平均有效制動壓力的要求不斷提高，這使得汽油機發(fā)生異常燃燒現(xiàn)象的可能性顯著增加，如爆震和超級爆震。從本質(zhì)上講，這些異常燃燒現(xiàn)象都是由熱點（或冷點）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壓力波的產(chǎn)生機理仍然不明確，這是限制研究者清楚理解爆震燃燒機理和解決爆震現(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)，針對發(fā)動機工作條件下的燃料自燃特性及其對燃燒過程的影響進行了深入的研究。研究結(jié)果將有助于理解發(fā)動機異常燃燒現(xiàn)象的形成機理，為實際燃燒動力裝置的優(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、油機爆震燃燒仿真平臺，分析了爆震時缸內(nèi)高頻壓力振蕩的產(chǎn)生機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)、進氣增壓和壓縮比及三者協(xié)同作用對汽油機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)值仿真平臺能夠準(zhǔn)確模擬汽油機爆震燃燒過程，包括瞬時缸內(nèi)壓力、壓力振蕩及其頻率分布特性;與其他壓力產(chǎn)生源項比較，末端氣體自燃化學(xué)反應(yīng)對壓力振蕩的貢獻最大;通過缸內(nèi)壓力振蕩的起點和幅值等特性能夠準(zhǔn)確獲得末端氣體自燃和發(fā)

4、動機爆震燃燒之間的影響關(guān)系;提高進氣增壓和壓縮比能夠顯著改善發(fā)動機動力性，但會造成缸內(nèi)高頻壓力振蕩，從而產(chǎn)生強烈爆震;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)動機動力性的前提下有效降低發(fā)動機爆震強度。
　　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)機理，分析了燃料性質(zhì)、流場參數(shù)及其不均勻性對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，對原始Livengood-Wu積分假設(shè)進行了理論分析、并基于HCCI發(fā)動機的低溫和高溫自燃發(fā)生時刻對兩階段Livengood-Wu方法的適用性進行了驗證。研究結(jié)果表明:大分子碳氫燃料受負溫度系數(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對自燃火焰?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)動機低溫和高溫自燃的發(fā)生時刻。
　　第三，基于一臺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初始自燃火焰?zhèn)鞑ヌ匦约叭紵^程影響的試驗研究。研究結(jié)果表明:所設(shè)計的可控加熱裝置能夠穩(wěn)定地控制混合氣加熱過程，從而實現(xiàn)了不同條件下可燃混合氣可控自燃的目的;與火花點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_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，從而強化了整個燃燒過程;但劇烈的末端氣體自燃化學(xué)反應(yīng)會激發(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，而且初始壓力越高，壓力振蕩越劇烈。
　　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穩(wěn)態(tài)火焰結(jié)構(gòu)、火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿紵Ｊ降挠绊?，對比分析了有限封閉燃燒空間中單、多熱點自燃對瞬態(tài)燃燒過程的影響，深入探索了火焰?zhèn)鞑?、自燃和壓力波相互作用對爆震燃燒過程

9、中自燃的產(chǎn)生機理、發(fā)展模式和爆震強度等的重要作用。研究結(jié)果表明:初始自燃反應(yīng)對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，流場的輸運特性對火焰?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艿絅TC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出

10、現(xiàn)加速現(xiàn)象;H2能夠顯著抑制低溫自燃而促進高溫自燃，并在一定范圍內(nèi)有效抑制燃燒模式的轉(zhuǎn)變;單熱點和多熱點自燃在本質(zhì)上沒有區(qū)別，但在多熱點自燃條件下存在多個火焰前鋒和壓力波的相互傳播，這使得整個燃燒過程極不穩(wěn)定，在流場多處產(chǎn)生較強的局部壓力突變;發(fā)動機爆震是一個涉及火焰?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