9185 基于化学反应机理的焦炉气发动机爆震仿真研究(何海斌).pdfVIP

基于化学反应机理的焦炉气发动机爆震仿真研究 何海斌，吴锋，姚栋伟，刘子汛 （浙江大学动力机械及车辆工程研究所，浙江杭州 310027） 摘要：炼焦副产物焦炉气富含氢气与甲烷，是一种清洁的车用代用燃料，在实际应用中，爆震已成为制约其发展的 重要障碍。本文利用GT-POWER 软件，耦合焦炉气化学反应机理与自燃子模型，建立焦炉气发动机爆震模型，并 据此研究焦炉气发动机的爆震特性。首先，利用敏感性分析法与粒子群优化算法，搭建并优化得到焦炉气化学反应 机理，利用CHEMKIN 代码建立基于爆震积分法的自燃子模型，并利用GT-POWER 软件USER MODEL 功能建立 一维的焦炉气发动机爆震模型。然后，开展焦炉气发动机爆震试验，使用滤波法和数值分析方法提取爆震特征，并 根据台架试验结果对爆震模型进行验证。最后，根据焦炉气发动机爆震模型对压缩比与点火提前角进行参数研究。 研究结果显示，基于化学反应机理的焦炉气发动机爆震模型能够准确地预测爆震的发生，为焦炉气发动机的进一步 研究奠定了基础。 关键词：爆震；化学反应机理；滞燃期；爆震积分法；数值仿真 当前，随着常规能源的不断减少，环境污染的不 模型，并耦合自燃子模型与爆震积分法，建立爆震模 断加剧，清洁车用代用燃料受到了越来越广泛的关注。 型。其次，利用发动机台架试验数据，对焦炉气发动 其中，炼焦副产物焦炉气因其富含氢气与甲烷的特性， 机爆震模型参数进行验证。最后，利用爆震仿真模型， 逐渐进入了内燃机研究工作者和产品开发人员的视野。 研究压缩比与点火提前角对焦炉气发动机爆震始点的 但是，由于焦炉气富含氢气，燃烧温度高且易于点燃， 影响。 [1] 导致其作为内燃机代用燃料时易发生爆震 。发动机发 生爆震时，气缸内会出现强烈的压力波动，继而引起 1 爆震模型的建立 剧烈的缸体振动，使得燃烧噪声增强，输出功率降低； 1.1 焦炉气化学反应机理 发动机长期工作在爆震工况下，机体将产生明显的损 [2] 伤 。因此，研究焦炉气发动机的爆震特性对其在内燃 机中的应用具有重要意义。 [3] 目前，混合气的自燃预测模型 主要包括：基于 现象和实验归纳的诱导时间修正模型和基于燃料组分 的化学反应机理模型。其中，诱导时间模型主要通过 试验或数值计算获取混合气着火滞燃期与温度、压力、 组分浓度以及燃油辛烷值等的函数或数据表来实现未 燃区发生自燃现象的预测，如 Douaud-Eyzat 模型、 [4] Franzke 模型、Worret 模型和Kinetics-Fit 模型 等，但 上述模型计算精度强烈地依赖于拟合试验数据，并试 图采用单一或数个拟合关系式计算整个燃烧过程的着 火滞燃期，因而并不能实现十分精确的自燃预测。化 图1 焦炉气化学反应机理搭建与优化流程 本文采用H 、CH 和CO 三种可燃气体的混合气 学反应机理模型能够反应燃料自燃的复杂化学反应过 2 4 来代替实际焦炉气，整个化学反应机理由CH 简化机 程，因而可以获得更为精确的结果。目前，基于8 步 4 [5] [8-10] 反应的“Shell”自燃着火模型 获得了普遍的运用； 理、H /CO 优化机理与NOx 简化机理三部分组成 ， 2