柴油–天然气–氢气三燃料化学反应机理研究

本文为了探究RCCI三燃料(柴油–天然气–氢气)燃烧领域中，特定两组化学反应机理对于真实燃烧情况的预测合理性，对三燃料燃烧化学反应机理进行数值模拟研究，对比了不同机理对于正庚烷，天然气，氢气点火延迟时间和层流火焰速度的模拟结果，发现143-746机理在对正庚烷、氢气的层流火焰速度和对天然气、正庚烷的点火延迟时间方面的模拟效果更好，76-464机理在天然气层流火焰速度方面优于143-746机理，对氢气点火延迟时间的模拟方面二者与实验值的偏差程度类似，区别并不明显。综合考虑认为143-746机理更适合应用在RCCI三燃料燃烧的相关研究中。

RCCI 被称为反应活性控制压燃，是在HCCI (均质充量压燃)、PCCI (预混合压燃)基础上提出的一种能够在更大的转速范围和更复杂的负荷条件下实现内燃机高效燃烧的先进燃烧方式，实现原理是通过控制不同活性的燃料喷射比例和喷油着火时刻来达到在不同工况下清洁高效燃烧的目的。其中氢气优秀的燃烧特性促使其被应用于发动机中，主要用法是掺入到天然气或柴油中，来改善燃烧状况，降低污染物排放，弥补原本燃烧速度慢、热效率低等缺点，此种燃烧方式即为氢气的掺混燃烧[1]，是一种改善柴油/天然气发动机性能的有效方式。

燃烧机理对于RCCI 三燃料燃烧的预测效果能够充分反应机理的准确性， 在相关领域中，Robbio 等[2]对Williams [3]提出的CH4 燃烧反应机理在天然气和柴油双燃料模式下的单缸柴油机中进行了数值模拟，模拟结果表明由9 个反应组成的CH4 反应机理能够实现模拟计算时间较短的同时模拟结果的准确性较为良好。

Li 和Gatts 等人[4]在高负载条件下， 纯柴油燃烧转换为氢气， 正庚烷， 天然气三燃料燃烧之后，对气体排放方面进行了研究，同时针对发动机负载及转速的变化对加入的天然气等的影响展开了相关试验研究。结果表明，当进气混合物中氢气和天然气的体积分数分别达到4%和3%时，氢气和甲烷的排放量达到最大值，气体燃料的燃烧效率开始显著提高。Dhole 等人[5]以某4 缸柴油机为研究对象，对不同燃料组成的燃烧特性开展了相关试验研究，结果发现，当只使用氢气作为第二燃料(第一燃料为柴油)且氢气占燃料总量的20%时， 热效率提高了7%， 相比纯柴油状态， 未燃HC 和CO排放增加，NOX 和Soot 排放降低。张韦等[6]将简化天然气GRI3.0 机理与柴油替代机理、氢气燃烧机理组合，同时耦合了污染物生成机理，构建出一个包含79 种组分和244 步反应的三燃料燃烧和排放机理， 使用该机理进行数值模拟验证，结果表明新构建的柴油–天然气–氢气混合燃料燃烧机理在一定的当量比范围内能够准确预测柴油、天然气和氢气三种单一燃料的滞燃期和污染物排放，此外，通过计算，发现模拟结果与实验值较为吻合，表明新建立的三燃料机理较为合理。

可以看到，研究者们通过实验或者数值模拟的方法，对RCCI 三燃料的燃烧机理进行了不同程度地研究，均取得了丰富的研究成果，但是在对比不同燃烧机理预测效果方面，特别是对于燃烧时点火延迟时间和层流火焰速度方面，还需进一步进行研究，研究中使用较多的柴油–天然气双燃料燃烧机理有Huang 等人[7]提出的包含143 种组分746 步反应的GXU 机理和Rahimi 等人[8]提出的包含76 种组分464