摘 要

天然气燃料由于具有储量丰富、燃烧后污染物排放少的特点，是潜在的发动机代用燃料之一，但是天然气着火温度高且燃烧速度慢，使发动机易产生爆震或失火现象，而天然气掺氢燃烧可以改善以上缺点，从而天然气掺氢发动机得到广泛地研究。另外，在发动机缸内燃烧模式中，均质充量压燃（HCCI）作为新型的燃烧模式，结合了传统点火式和压燃式的优势，可以进一步的改善燃烧且降低排放。

本文以LNG掺氢HCCI发动机为研究对象，利用CFD仿真软件KIVA和气相化学动力学软件CHEMKIN，建立发动机缸内燃烧模型，实现了天然气掺氢HCCI发动机燃烧特性的数值模拟研究，研究了着火过程中缸内的化学反应过程及不同掺氢比对发动机缸内温度、压力及排放物的影响规律。模拟计算结果表明：随着掺氢比的增加，掺氢天然气HCCI发动机的着火时刻提前；通过对化学反应基团的分析，可以认为着火发生在H₂O₂基团大量分解同时大量生成OH基团的时刻；天然气掺氢后，缸内温度峰值略有升高；随着掺氢比的增加，NO_x的排放随之增加，缸内最高温度对NO_x的生成量影响很大，NO_x主要生成于核心高温区；随着掺氢比的增加，缸内HC排放降低，HC主要是未燃烧的碳氢混合物，主要产生于低温的边界层区；在分析CO的排放时，由于氢气的掺入，促使CO₂ H₂=CO H₂O生成CO，使得CO排放随着掺氢比的增加而增加，且主要产生于“燃烧过渡区域”。

关键词：天然气；掺氢比；均质充量压燃；数值模拟

Abstract

Natural Gas has been one of the potential alternative fuels for IC engine because of its abundant quantity and less pollutant emissions. However, the knock or misfire phenomenon in engines will be caused by the higher ignition temperature and lower burning velocity of natural gas. Recent studies have shown that natural gas engine with hydrogen addition can improve these above shortcomings, and hence hydrogen-natural gas engine gets widely researched. As a new type of engine combustion mode, homogeneous charge compression ignition (HCCI), combining the advantages of spark ignition and compression ignition, could further improve combustion performance and reduce the pollutant emissions.

In this paper, the combustion model within cylinder of hydrogen-natural gas HCCI engine is set up by using the CFD simulation software KIVA and chemical kinetics software CHEMKIN, and chemical reactions of ignition and the combustion characteristic are investigated. Moreover, the effect law on temperature, pressure and pollutant emissions in cylinder with different ratios of hydrogen addition are also researched. Simulation results show that the ignition moment of hydrogen-natural gas HCCI engine will be advanced with the increase of the ratio of hydrogen addition. Through the analysis of the chemical kinetics, the igniting process occurs when the H₂O₂ groups begin to decompose and simultaneously a lot of OH radicals are rapidly generated. After the natural gas blended with hydrogen, the peak of the temperature in cylinder rises, but the increase magnitude is small. With the increase of hydrogen blending ratio, NOx emissions increases. Because the maximum temperature in cylinder has a great influence on the NOx generation, so NOx is mainly generated in the core of combustion region. With the increase of hydrogen blending ratio, HC emission reduces. HC mainly consists of unburned hydrocarbon mixture, producing in the boundary zone with the lower temperature.CO emissions increase with the increase of hydrogen blending ratio, mainly producing in the “combustion transition zone”.

Key Words: Natural Gas; Ratio of Hydrogen Addition; Homogeneous charge compression ignition (HCCI); Numerical Simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.1.1 HCCI发动机介绍 1

1.1.2 HCCI发动机的数值模型 2

1.2 天然气掺氢HCCI发动机的研究现状 4

1.3 本文的研究内容 6

第2章 LNG掺氢HCCI发动机缸内燃烧模型 7

2.1 KIVA软件介绍 7

2.2 发动机缸内燃烧模型建立及网格划分 7

2.3 求解器文件参数设置 11

2.4 KIVA3数学模型 12

2.4.1 质量守恒方程 12

2.4.2 动量守恒方程 13

2.4.3 能量守恒方程 13

2.4.4 理想气体状态方程 13

2.4.5 湍流模型方程 14

2.5 计算结果与温度分区 15

2.5.1 计算结果 15

2.5.2 温度分区 15

2.6 本章小结 16

第3章 化学动力学模型 17

3.1 CHEMKIN软件介绍 17

3.2 计算模型 17

3.2.1 计算流程 17

3.2.2 缸壁传热模型 17

3.2.3 化学反应速率计算模型 18

3.3化学动力学模型的建立及参数设置 19

3.3.1准维模型的建立 19

3.3.2 准维模型的参数设置 20

3.4 本章小结 20

第4章 模拟结果分析 21

4.1 天然气HCCI发动机燃烧过程分析 21

4.2 不同掺氢比对天然气HCCI发动机燃烧特性的影响 22

4.3 不同掺氢比对天然气HCCI发动机排放特性的影响 25

4.3.1 NOx的排放 25

4.3.2 CO的排放 27

4.3.3 HC的排放 30

4.4 不同掺氢比对天然气HCCI发动机着火特性的影响 31

4.5 本章小结 34

第5章 全文总结与展望 36

5.1 全文总结 36

5.2 工作展望 36

参考文献 37

致 谢 39

第1章 绪论

1.1研究背景

自1960年以来，人类遭遇了三次严重的石油能源危机，世界各国都清醒地意识到不可再生能源的逐渐耗竭和对能源的需求快速增长这二者之间存在的矛盾^[1]。自第一次石油能源危机之后，以西方国家为首的世界组织都在积极寻求新能源以减缓或消除石油能源危机，研究发现，若将天然气作为发动机的替代燃料可以减缓石油消耗速度，因而可以延缓能源危机。

天然气作为发动机理想的代用燃料，在近年来的研究中一直得到人们的密切关注，到2010年底，全世界天然气已探明储量达到187.1万亿立方米，同比增加5000亿立方米。我国的天然气储量也十分丰富，已探明储量达到1.53万亿立方米，预计可供开采95年^[2]。天然气不仅储量十分丰富，而且其开采成本也低于石油，且燃烧后排放的有害物质少于石油，如果能将天然气作为发动机的代用燃料，不仅可以缓和发动机燃料危机，同时可以减少污染物的排放。但在实际应用中，天然气的大范围推广受到了限制，由于天然气的主要成分是甲烷，其所需点火能量较高，具有燃烧持续期长、燃烧速度相对较慢等缺陷。因此将天然气直接用于发动机中，会使其存在局部热负荷较高、燃烧等容度较低、平均有效压力较低、工作循环热效率较低的问题。与纯天然气相比，天然气掺氢可以有效的改善发动机的燃烧状况，这关键是由于氢气所需的着火能量很低，天然气掺混氢气后不需很高的进气温度即可实现着火燃烧；氢气的燃烧速度快于天然气，掺氢后加快了燃料的燃烧速度使得燃烧过程的等容度和工作循环的热效率有所提高；氢气的可燃界限宽，淬熄距离小，天然气掺氢后可以拓宽稀燃极限，提高燃料经济性，且天然气掺氢后可减低混合气的C/H比，因此可降低燃烧后的HC排放，实现减排的目标。

• • 1. HCCI发动机介绍

HCCI发动机结合了传统点火式发动机和压燃式发动机的优点，一方面与点火式汽油机相似，HCCI发动机实现了燃料和空气的均质混合，避免扩散燃烧现象的发生，因此可以显著减少微粒物的排放；另一方面，与压燃式柴油机类似，HCCI发动机的燃烧是多点同时自燃过程，避免了局部高温区的产生，因此可以降低NO_x的排放。与传统汽油机和柴油机相比，HCCI发动机除了可以显著降低PM和NO_x排放外，在燃料的选择上，HCCI发动机具有很高的灵活性，汽油、柴油、天然气、氢气、乙醇以及二甲基醚等燃料对HCCI发动机均适用，且由于HCCI发动机在燃烧过程中放热很快，当其工作于合适工况时，其工作循环可视为奥托循环^[3]，可以提高工作循环热效率，研究表明在部分工况下，HCCI发动机的工作热效率可以接近柴油机的热效率，当发动机部分负荷稳定工况运行时，其相对汽油机可减少30%的燃料消耗，因此HCCI发动机还可节省燃料。

• • 1. HCCI发动机的数值模型

由于均质充量压燃是一种新型的燃烧模式，对其研究还不是很全面充分，均值压燃发动机在市场上目前并未得到大规模的推广应用，在均质压燃发动机的研究当中，数值模拟发挥着不可替代的作用，在数值模拟模型中HCCI发动机可分为：零维模型、准维模型和多维模型。

1.1.3.1 零维模型

零维模型也称为单区模型，将缸内燃烧室近似为一个温度、压力及混合气组分浓度处处相等的均质反应器，在模型模拟计算中，完全忽略缸内流体的流动对燃烧过程的影响，将气缸内部每点的参数视为只与时间有关的单一变量。零维模型对燃烧过程做了许多简化，因此其计算所需的时间相对较少，可以对大量不同的运行工况做模拟计算，零维模型可以对化学反应过程、混合气的着火实现较准确的预测。