降低测距装置的发展和验证机制适用于各种内燃机燃烧模式

文摘

二甲醚的28种减少化学机制(测距装置)燃烧的基础上,最近开发的详细机制,赵et al . (2008)。减少化学建设进行了自动算法将新开发的策略。减少机制的性能评估在一个广泛的燃烧条件下预期发生在未来先进的活塞式内燃机,如HCCI SAHCCI, PCCI。总的来说,减少化学给结果良好的协议与所有燃烧模式的详细机制测试。而详细的机制,赵et al。(2008)与激波管显示合理的协议自动点火延迟数据,详细的机制需要进一步改进,以更好地预测HCCI发动机条件下燃烧。

1。介绍

最近,兴趣开发新燃料和技术更清洁、更有效率,和燃烧环境可持续发展。二甲醚(测距装置)被认为是一个有前途的替代燃料,因为它可以合成从新兴可再生能源,如生物质能,以及现有的化石燃料来源(1]。更重要的是,测距装置具有良好的燃烧特性。测距装置十六烷高数,自动点火温度较低,其相对于柴油燃烧产品含有更少的有害排放。即测距装置的废气燃烧颗粒物水平较低的情况下,有限公司,氮氧化合物,不含加压法产品。这些优点使测距装置适合取代柴油在压缩点火(CI) (1,2]。测距装置可以扩展到新兴的潜在使用引擎技术,如同质费用压缩点火(HCCI),火花协助HCCI (SAHCCI)和部分压缩点火(PCCI)。

测距装置燃烧了大量的实验和数值研究的主题。激波管的研究是由Pfahl et al。3)的自动点火延迟DME-air混合物测量的压力和温度范围。Dagaut et al。4]研究了测距装置在jet-stirred反应堆动力学和发展高温的测距装置动力学模型。之后,另一个包含78种测距装置的化学机制是由Curran et al。5)和机制与激波管数据验证了Pfahl et al。3)和jet-stirred反应堆Dagaut et al。4]。Dagaut et al。6扩大在柯伦et al。5测距装置机制,包括低温通路。更新机制包含55个物种和验证jet-stirred反应堆数据和高温激波管数据。费舍尔et al。7和伦等。8)进行联合研究高温和低温氧化测距装置,分别。在这两个论文,实验数据被用来进一步细化测距装置机制由Curran et al。5]。本文由皇帝et al。9),物种进行测量测距装置平面火焰在标准压力和测量数值模拟相比,利用改进的详细机制费舍尔et al。7]。最近,一个紧凑的测距装置的详细机制是由赵et al。10]在一个更新的高温模型耦合到低温模型由费舍尔et al。7]。

并行发展的详细的测距装置化学,几次在简化的测距装置的建设机制。基于详细的机制,柯伦et al。8和山田等。11CI)建造了一个23种测距装置骨骼化学模型应用程序通过删除不重要的反应和物种。使用简化的化学模型由梁(12)测距装置/甲醇燃料混合物,姚明et al。(13]模拟测距装置的燃烧/甲醇混合燃料的HCCI发动机。基于详细的机制由费舍尔et al。7和伦等。8),姚明et al。14,15)开发了一个26种骨骼在高压缩HCCI发动机使用的机制。最近,黄等。16)进行了多维模拟单缸,缸内直喷HCCI发动机基于26种骨架由姚明et al。(化学14,15]。

发展简化机制的目的是为了节省计算资源而准确地捕捉主要政权下的燃烧特性研究。因此,验证简化化学机制需要若有所思地执行,以确保解决方案的准确性和可靠性。本研究旨在开发一个精确的简化化学机制在各种燃烧的政权。目标应用程序的机制不仅限于CI模式还包括HCCI SAHCCI, PCCI燃烧模式。本文组织如下。首先,简化机制,简称为“减少”化学,通过准稳态(工作频率)方法开发已加上其他先进数值策略。第二,减少化学是广泛的性能评估各种燃烧模式的代表词,HCCI SAHCCI, PCCI引擎。第三,减少化学中的应用HCCI发动机进行模拟和计算结果与实测数据进行比较。最后,结论是关于进一步改进测距装置和评论机制。

2。简化化学的发展

在燃烧的数值模拟系统中,燃烧化学反应的计算时间尺度约,在那里物种的总数在反应机理。因此减少可以大大节省计算资源。两种类型的简化化学模型可以由一个详细的机制:(1)骨骼机制,(2)减少的机制。骨骼机制是通过删除无关紧要的种类和反应步骤详细化学燃烧政权的利益,比如23种骨架机制由山田et al。11]。虽然在骨骼机制调整某些控制速率常数通常是为了改善其性能的一个狭窄的燃烧政权,这样的经验方法有有限的应用程序。验证骨骼机制的基础上,进一步减少物种的总数可以通过假设某些中间物种的工作频率。这些工作频率物种评估自己的代数方程,因此不会出现在物种列表。

由于之前开发的骨骼机制的局限性狭窄燃烧政权,这是决定开发一个新的机制,减少将实现的目标适用于各种各样的燃烧模式。由于测距装置的详细机制,赵et al。10)只包含55种,减少化学发展机制是足够小的直接使用工作频率的方法。通过适当地确定25个工作频率中间物种和省略氩氦,目前化学可以减少减少到28种。这25个工作频率的物种,列在表中1,被确定使用目标搜索算法(TSA)最近开发Tham et al。17]。TSA规定在构建阶段减少的机制,减少系统立即代表条件下测试,以确保其整体精度。结果,一群工作频率的影响物种预测精度评估立即在构建阶段,用于指导工作频率的选择适当的组的物种。这种方法的一个重要优势是其显著降低的潜力大小的复杂机制的同时确保其预测能力有针对性的政权,都以一种系统化的方式来完成。表2列出TSA过程中有针对性的自燃条件使用。额外的目标条件丰富的预混合火焰(等价比率为1.1,初始温度为300 K,和一个初始压力1 atm)也包括在内。HCCI发动机的情况下,并不包括在名单上的目标条件添加成本计算单区模型加上TSA太计算密集型的方法。然而,过去的经验与一个异辛烷机制(17)已经表明,只要有针对性的点火条件正确选择代表HCCI发动机的关键条件,结果降低了机制是令人满意的。TSA是用来确定合适的工作频率的物种,这样生成的减少化学预测点火延迟和火焰的速度在10%的预测与详细的机制。整个过程被耦合TSA自动化使用电脑与计算机辅助还原机制(CARM)算法(18]。合并后的定点迭代和矩阵求逆算法(19)是用于准确和快速计算的工作频率物种浓度。请参考补充材料网上doi: 101155/2011/630580复制发达的28种减少化学。

3所示。结果和讨论

本节评估的性能28种测距装置减少化学机制,通过比较对的详细机制,赵et al。10)在各种燃烧的条件。正如上面提到的,现在的目标是减少机制不仅CI引擎,也适用于HCCI, PCCI, SAHCCI引擎。下面的燃烧条件选择测试的有效性降低机制在广泛的燃烧模式中发现这些引擎。

3.1。自动点火延迟

的自动点火延迟stochiometric测距装置和空气混合物在一系列计算温度(650 K - 1300 K) 13栏的初始压力和40条使用桑迪亚代码SENKIN [20.]。这些条件对应的激波管研究Pfahl et al。3]。使用的详细机制,赵et al。10)和目前的28种减少化学、恒定体积下的计算进行了模拟激波管点火。额外的计算进行了26种骨骼机制,姚明et al。14,15为进一步比较。

图1比较了计算点火延迟与上面讨论的三个机制对激波管数据Pfahl et al。3]。初始激波管压力的不确定性1.5酒吧和2条报道Pfahl et al。3]13栏和40条激波管数据,分别。(3]。在低温(650 K到800 K)和40条,所有三个机制的计算延迟略长于激波管数据。然而在相同的温度范围在13酒吧、26种骨骼机制由姚明et al。(14,15]预测拖延更长的时间比赵的详细机制等。10和目前的28种化学。目前28种化学(短虚线)点火延迟略低于预测的详细化学(长点划线)10]。高温900 K以上,详细和28种机制略overpredicted自动点火延迟,而26种机制,姚明et al。(14,15严重低估了延迟。自从26种机制,姚明et al。(14,15)是用于发动机高压和低温条件,骨骼机制目标燃烧以外不会发挥作用机制。优秀的之间的协议显示目前的28种化学(短虚线)和详细的化学(长点划线)10)超过900 K的线条相互重叠。此外,良好之间的协议是发现目前28种减少化学及其母公司机制相比计算延迟HCCI条件下(没有显示)。

3.2。火焰Propagation-Laminar火焰速度

桑迪亚代码预混料(21)是用于计算层流火焰速度的压力(20 1 atm自动取款机)和等价比率1.7)。对所有运行时,初始温度设定在300 K。赵等提供的传输数据。10)是用于这些计算。26种骨骼机制,姚明et al。14,15)并不适用于预混合燃烧。因此,只计算进行了详细的机制,赵et al。10)和相应的28种减少化学。图2比较了计算火焰的速度从这两个机制。可以看到很好的协议之间的两种机制在广泛的条件。SAHCCI应用,两种机制也在良好的协议(图中未显示)计算层流火焰速度的升高温度和压力(600 K到750 K, 15到20条)。

3.3。Nonpremixed火焰

几何模拟逆流,non-premixed火焰(信)进行了使用桑迪亚OPPDIF代码(22)在环境条件和一系列的应变率,从来。信火焰几何被选为代表non-premixed火焰案件由于其应变速率控制的能力。燃料和氧化剂流是由纯测距装置和纯空气,分别在1 atm和25°C。结果只与测距装置的详细机制(10)和相应的28种减少化学。计算火焰灭绝发生与机制。详细的计算火焰结构的比较,包括温度和CO和H的质量分数,在数据绘制与混合物分数3,4,5,分别。所有的结果在以下应变率:, , ,和。混合分数是基于提出的配方Bilger [23)的化学计量值是独立的微分扩散。混合物分数被定义为 在哪里是原子的质量分数的物种,相应的原子质量,下标1和0指的是燃料和氧化剂流,分别。

见图3,计算温度随应变速率增加而减少。峰值温度下降到大约1700 K灭绝之前发生。相应的公司水平比较图4,显示了减少CO值随着应变率峰值。因为公司是测距装置的中间物种形成的分解,公司随减少停留时间。预计H激进分子,结果呈现在图5显示,增加H值和峰值应变率增加。随着应变率的增加,停留时间减少导致不完全燃烧。结果与28种减少化学提供优秀的协议结果详细的机制。同样对于柴油应用程序,良好的协议是在计算火焰结构之间的详细和降低空气机制在900 K和40酒吧(没有显示)。

3.4。应用程序HCCI发动机

目前的28种机制是进一步减少的性能评估通过数值结果的比较,从三维CFD模拟计算,对一组新的HCCI燃烧所获取的实验数据。下面简要描述的实验。

3.4.1。实验设置与CFR发动机

实验采用单缸ASTM-Cooperative燃料研究(CFR)发动机压缩比可调。详细的规格表中列出的引擎和运行条件3。最引人注目的条件是压缩比,8.26,和操作RPM, 600,选择允许发动机容纳的范围测试等价比率没有接近不点火或政权。同样重要的是认识到,虽然操作600 RPM看起来很低,实际上这是一个合适的测试RPM CFR发动机最大的发动机转速为1800 RPM和正常RPM罗恩测试是600 RPM。测距装置的液体蒸发,然后注入进气口使用量子气体燃料喷射器。Motec M4 ECU(发动机控制单元)控制注入时机、注入脉冲宽度,注入工作周期。通过改变燃料注入,发动机运行在三个不同的等价比率,、0.317和0.358。等价比率确定条件的摄入空气和燃料的质量注入。等价比率是验证使用Horiba分析仪O₂和有限公司₂。为每一个压缩比是8.26,稳定HCCI操作。汽缸压力测量压电压力传感器使用6052 b基斯特勒公司和信号电荷放大器放大由5044年基斯特勒公司。为每一个等价比率,300周期的缸内压力数据记录在每0.1曲柄角度(CAD)。最大测量氮氧化物约2 - 3 ppm的不确定性1 ppm。

3.4.2。数据分析

移动平均滤波器,使用三个数据点,压力数据被用来减少噪音。的净热量释放率计算热力学第一定律的基础上(24] 在哪里是净热释放速率,曲柄角,汽缸容积,热容比。而不是使用一个固定的值与曲柄转角的变化估计如下。的值被认为常数只有在特定时期内的压缩和扩张斯托克斯,定义作为和分别在这些时期。在压缩冲程,等熵压缩被认为从CAD 120−−40 CAD上死点后(ATDC)。用等熵的关系常数,的价值从压力数据计算和圆筒卷吗CAD和CAD ATDC。同样,的价值决定扩大从60 CAD 120 CAD ATDC中风。−40 CAD和60 CAD ATDC之间,是假定为线性变化

累计净热量释放被集成计算(2)关于曲柄角,,从CAD 120−60 CAD ATDC。

所有提交数据进行误差分析。并给出了误差分析的细节的补充材料。

3.4.3。三维模拟

三维(3 d)进行了CFD模拟使用修改后的版本的KIVA-3V [25)的详细和28种减少化学。的修改版本KIVA-3V之前已经使用在许多出版物,包括论文Tham et al。17]。三维网格由53个,040年616个细胞下死点,17日在上死点细胞。模拟-180 CAD ATDC之间进行,下死点,50只CAD ATDC。随着模拟开始180−CAD ATDC、温度下死点估计从发动机进气温度。裂缝和漏气的影响并不包括在模拟。因此,压缩比(CR)的模拟设置匹配计算汽车压力痕迹,实验数据(没有显示)。压力和CAD测量的不确定性在引擎汽车被发现0.2条和0.05 CAD、分别。初始条件在-180 CAD ATDC表中列出4。最初的物种成分估计通过运行一个单层反应堆模型在几个周期的剩余气体正确代表在未燃烧混合物。估计单层反应堆温度在315 K下死点;然而,初步的三维模拟与初始温度设定在315 K未能自燃。因此,三维模拟的初始温度增加到345 K,为了预测大致匹配开始燃烧(SOC)的实验数据。

3.4.4。压力跟踪

图6比较详细的计算压力跟踪机制,赵et al。10)和28种化学机制对病死率数据三个等价比率、0.317和0.358)。在发动机点火,最大不确定性的压力在所有三个等价比率是0.3条。可燃混合物得到精简,SOC是阻碍,如预期。目前发动机的条件下,测距装置开始燃烧在低温下(~ 700 K)和大量的热释放前主要自燃(~ 1000 K),测距装置燃烧独有的特性。总的来说,正确预测的数值模型等价比率对SOC的影响,这是在良好的协议与数据。虽然初始温度是30 K高于预估,低温热释放量的预测。

图6还展示了28种合理的协议减少了化学和详细的机制(10]。与目前的28种减少化学、三维模拟的CPU时间是六分之一的详细使用的机制。然而,减少化学预测早期SOC相对详细的化学。这种差异是一致的结果如图1,揭示略短的预测自动点火延迟时间减少化学13酒吧和40条。

3.4.5。热释放率

数据7和8比较热释放率从CFR发动机,获得详细的化学,和28种减少化学模型。的最大不确定性计算净热释放速率被发现9.5 J / CAD、19 J / CAD、41 J / CAD的0.277,0.317,和0.377等价比率分别。与实验数据相比,结果详细和低温放热化学显示后开始降低,放热率峰值较低和0.358,放热率峰值较高。此外,低温放热的持续时间更长的时间28种情况下,虽然期间低温放热的详细机制是在良好的协议与数据。自燃的overprediction延迟,就像前面提到过的部分(图1),符合后低温放热开始的数值。

3.4.6。敏感性SOC的压缩比

实验运行进行了探索SOC在CR的敏感性,同时保持所有其他操作参数和之前一样。CA50 SOC的传统特征,定义为曲柄角度在50%的累积放热。这样的探索提供额外的化学模型的评价。进行了相应的数值模拟使用单一区域反应堆28种减少化学和详细的母公司机制(10]。最初的发动机温度选择简单地对齐曲线作为这些曲线的斜坡,压缩比象征SOC的敏感性,在这项研究中更重要比CA50的实际值。图9比较了测量和预测CA50与CR,显示一致,提高CR CA50降低。实验结果表明,CR测距装置是非常敏感的SOC。通过提高CR从8.25到8.65(仅增加5%),CA50减少6度。预测的数据相比,这两种机制的敏感性略低于SOC CR;4度的预测CA50减少当CR从8.25增加到8.65。的最大不确定性的计算值CA50被发现是1.2,0.8,和0.3 CAD等价比率为0.277,0.317和0.377。

4所示。结论

过去很多研究工作已着手进行构造详细的和简化的测距装置的化学机制用于数值模拟。在目前的研究中,开发了28种减少化学机制覆盖广泛的预期在未来先进的引擎,引擎条件如HCCI SAHCCI, PCCI。

减少化学是发现的性能满意以下燃烧模式计算比较后自动点火延迟,层流火焰速度,与那些从non-premixed火焰结构的详细机制,赵et al。10]。减少的机制也被用于三维CFD模拟和预测压力痕迹和发动机热释放率与内部CFR发动机数据在三个不同的等价比率。详细的预测和减少机制的影响等效与实验数据比在SOC好协议。然而,最初的下死点的温度数值模型需要设置30 K度高于估计为了匹配SOC的CFR发动机。此外,详细的预测和减少机制较早开始比CFR发动机点火数据。额外勘探的影响CR SOC建议详细和减少机制与CR under-predict SOC的敏感性。重要的是要强调,虽然级别的协议与引擎情况不匹配的协议与其他火焰病例和其他物种和反应可以被添加到化学来提高其准确性,减少验证的目的是验证的有效性28种测距装置减少从一个自动生成的机制,验证过程(17- - - - - -19]。总体而言,目前的28种减少化学机制的成功开发确认最近开发的有效性策略在发展中减少化学燃烧制度的广泛使用。然而,未来的研究需要进一步细化的测距装置的详细机制,赵et al。10)为了提供更准确的HCCI发动机模拟。

补充材料

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