均质压燃（HCCI）发动机着火与燃烧过程的理论与数值研究

摘要

由于全球经济的飞速发展，能源危机和环境污染问题日益严重，而汽车作为能源消耗和环境污染的主要来源得到了全世界研究者的广泛重视。其中均质压燃(HCCI)发动机以其高经济性、低NOx和微粒排放的突出优越性成为目前发动机研究的主要方向之一。HCCI在非常短的时间内从概念变为现实，数值模拟是一个主要的推动因素。本文通过数值模拟研究了HCCI发动机着火与燃烧过程，主要目的是通过模拟工具更好地理解HCCI燃烧过程，并进一步推动其发展。文中通过修改并整合目前国际流行的HCCI燃烧模型，建立一套由单区、多区、多维模型和解析解构成的完整的HCCI发动机的模拟系统，对HCCI发动机着火点的预测、运行工况范围的拓展和排放物的控制提供准确迅捷的信息。 1.应用单区模型对多种工况参数下的HCCI燃烧和NOx排放进行了系统的计算，分别讨论了进气温度、进气压力、压缩比、过量空气系数和转速等参数变化对HCCI发动机燃烧过程的影响。 2.通过比较多区模型中区间划分、缸壁传热模型、区间热量交换模型、区间质量交换模型和边界层模型对HCCI发动机燃烧和排放模拟结果的影响，发现在区间划分时对温度较低的区域细化可以提高排放的计算精度，而对高温区域的细化对计算结果影响不大；改进的Woschni传热模型更准确地模拟了缸壁的传热过程；区间的质量和热量交换对计算结果影响显著，特别是质量交换模型的加入使CO排放的预测与实验值更为接近；而边界层厚度模型对整个结果影响不大。通过应用一个有质量交换的6区模型，模拟了正庚烷在HCCI发动机中的燃烧和排放特性。结果表明，该多区模型合理地模拟了HCCI发动机的燃烧过程，并可满意地预测出HC、CO和NO的排放。利用此多区模型分别讨论了缝隙容积、边界层厚度和壁面温度对HCCI发动机的燃烧和排放的影响。进一步利用多区模型预测了HCCI发动机的运行范围，其边界由敲缸(由声响强度计算)、部分燃烧(由燃烧效率计算)和循环变动(由平均有效压力对进气温度的敏感度计算)确定。通过模拟一台以异辛烷为燃料的HCCI发动机发现在不同当量比和进气温度下计算得到的敲缸极限、循环变动极限均与实验相当吻合，从而很好地再现了HCCI发动机的运行范围。在此基础上，研究了运行范围随转速的变化，讨论了通过调节进气温度和当量比，在不同转速下最大可运行范围。并考察了通过使用变压缩比、增压两种策略扩展HCCI发动机运行范围的潜力。 3.通过结合多维CFD程序KIVA和反应动力学程序CHENKIN实现了化学反应与流动的耦合运算。计算结果表明网格密度和时间步长对HCCI的燃烧过程影响不大，而初始温度对着火点影响显著。通过修改多维模型比较了RNGk-ε湍流模型和标准k-ε湍流模型、Han-Reitz传热模型和传统传热模型、Kong的混合模型和无混合模型，以及不同的缝隙区模型，发现使用RNGk-ε湍流模型、Han-Reitz传热模型和缝隙流动模型，计算结果与实验值更为接近。修改后的多维模型在不同当量比下计算得到的压力、放热率和排放值与实验完全一致。进一步利用此多维模型计算比较了通过降低初始温度以延迟着火点，降低缸壁温度和加大涡流比以增强缸内的热分层，以及加入EGR率四种不同的方法来降低声响强度，以避免敲缸的发生，实现向高负荷扩展的潜力。结果发现通过适当的着火延迟可以有效地降低声响强度，同时保证性能和排放基本不变。在这四种方法中，加大进气涡流比降低声响强度的效果最为显著，而使用EGR在综合性能方表现最佳。 4.将热爆炸理论应用于HCCI发动机中，推导出了HCCI发动机着火极限的解析解。解析解的计算结果与单区模型的计算结果基本一致，但是计算速度大大加快，可应用于HCCI发动机实时控制系统中。 通过对现有各种异辛烷反应机理的比较分析发现，由于反应机理构造的目的和方法的不同，各反应机理适用的范围均有所限制。为了评价反应机理对HCCI发动机燃烧过程的适用性，必须将它们的计算结果与HCCI燃烧相关的实验进行综合比较。采用零维模型，通过五种不同反应机理的计算与速压机、激波管和HCCI发动机等实验数据的比较发现，各反应机理在不同实验状况下性能各异。在此基础上提出了构造适用于HCCI燃烧过程的异辛烷简化机理的必要性，构造了一个包括38种组分69个基元反应的异辛烷氧化的骨架机理，该机理可以较准确计算着火点、燃烧速率以及HC、CO和NOx的排放，适用于HCCI发动机的多维模型的计算。通过与激波管、速压机、喷射搅拌反应器和HCCI发动机实验数据的比较，表明该反应机理在不同温度、压力和当量比下，尤其在高压、稀薄的反应条件下具有很好的性能。在HCCI发动机的单区模型计算中骨架机理计算结果与Curran等人的详细机理计算结果基本相同。 最后，结合HCCI发动机燃烧过程中化学反应的特点，对加速化学反应计算速度的两大类方法：简化法和存储/提取法进行了比较，发现简化法由于精度无法得到可靠的控制，在HCCI发动机的应用中受到了很大的限制。而在各种存储/提取法中，非结构化列表法(ISAT)在向更多种组分扩展、保证精度和良好的计算性能方面体现了较大的优越性。将ISAT应用于HCCI发动机多维详细反应动力学计算中，讨论了ISAT的性能。结果表明，ISAT相对于直接积分明显的减少了计算时间，可有效地控制整体误差。针对HCCI发动机燃烧过程化学反应的特点，提出了部分ISAT(PaISAT)方法，大大地提高了ISAT的计算精度和加速性能。针对ISAT存在的问题及改进的方法，在配对混合搅拌反应器(PMSR)和HCCI发动机中利用ISAT对不同的改进方案进行了计算比较，讨论了影响ISAT方法性能，如计算时间、内存占用和误差控制等方面的因素。结果表明，逆向搜索方法可以显著地提高ISAT的加速比，动态存储库方法可以大大地降低内存的占用量。

目录

文摘

英文文摘

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1引言

2HCCI发动机数学模拟研究进展

3单区模型模拟

4多区模型模拟

5多维模型模拟

6适用于HCCI发动机的异辛烷氧化的化学动力学模型

7HCCI发动机着火时刻的近似解析解

8多维模型反应动力学计算的加速方法——ISAT的研究

结论

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致谢