液压自由活塞发动机HCCI爆震燃烧的仿真研究

摘要

液压自由活塞发动机（HFPE）将发动机和液压泵集成一体，采用液体储存和传递能量。与传统发动机相比，液压自由活塞发动机没有曲柄连杆机构，活塞运动规律和压缩比灵活可变，对燃料以及燃烧方式有较好的适应性。HCCI燃烧方式具有燃烧速率高的特点，可解决自由活塞发动机上止点附近停留时间短的问题。将液压自由活塞发动机与HCCI燃烧方式结合在一起，有希望开发出一种新型的清洁能源装置。甲醇具有较好的抗爆性，适合用于高压缩比压燃发动机，因此本文将甲醇作为液压自由活塞发动机的燃料。
　　HCCI燃烧结合了汽油机点燃和柴油机压燃的特点，是一种低油耗低排放的新型燃烧方式。然而，在高负荷运行时HCCI燃烧速率过快易导致爆震，限制了HCCI燃烧的负荷拓展。因此，本文对液压自由活塞发动机的HCCI燃烧过程进行了仿真研究，分析了不同参数对HCCI燃烧过程中爆震现象的影响。
　　首先，本文基于AVL FIRE平台建立了对置活塞式液压自由活塞发动机（OPHFPE）的三维计算网格模型，采用大涡模拟耦合甲醇的详细的化学反应动力学机理的数学模型对液压自由活塞发动机的HCCI燃烧过程进行了仿真。分析了混合气当量比，进气温度、压缩比以及废气再循环率（EGR）等参数的影响，初步探讨了HCCI燃烧过程中的爆震现象。
　　仿真结果表明：当量比增大时，着火时刻延迟，燃烧持续期缩短，放热率峰值变大，爆震强度增大，缸内压力振荡加剧。进气温度增大时，着火时刻提前，然而放热率峰值和爆震强度的变化趋势并不是单调递增的。当进气温度提高到一定程度时，着火时刻过早，此时放热率峰值和爆震强度反而降低，改变EGR温度研究其加热作用时发现了相似的结论。提高压缩比时，着火时刻提前，燃烧持续期缩短，放热率峰值变大，爆震强度随之加强，燃烧相当粗暴。改变EGR率研究其稀释作用时发现，随着EGR率的增大，着火时刻逐渐推迟，燃烧持续期变长，放热率峰值变小，最大压力升高率有所降低。EGR率为60％时最大压力升高率的降低幅度较为明显。
　　通过三维仿真，本文初步分析了液压自由活塞发动机HCCI燃烧的爆震现象与上述各运行参数的关系，为HCCI向高负荷拓展提供了一定的理论依据。由研究结果可知，甲醇的HCCI燃烧需要一定的进气加热，随着压缩比的提高，HCCI燃烧所需的最小着火进气温度逐渐降低。高压缩比条件下，引入EGR可以降低爆震强度，但EGR率较小时效果并不明显，因此需要较大的EGR率来抑制爆震。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 液压自由活塞发动机简介

1.3 HCCI燃烧方式简介

1.4 甲醇代用燃料简介

1.5 国内外研究现状

1.6 本文的研究内容和意义

第二章 HCCI燃烧过程仿真模型的建立及验证

2.1 内燃机燃烧过程仿真模型的简介

2.2 液压自由活塞发动机数学模型的建立

2.3 液压自由活塞发动机三维CFD仿真模型的建立

2.4 液压自由活塞发动机三维CFD仿真模型的验证

2.5 本章小结

第三章 HCCI燃烧过程中爆震机理的仿真研究

3.1 HCCI燃烧中爆震现象的分析

3.2 混合气当量比对HCCI爆震燃烧的影响

3.3 进气温度对HCCI爆震燃烧的影响

3.3 压缩比对HCCI爆震燃烧的影响

3.4 EGR对HCCI爆震燃烧的影响

3.5 本章小结

第四章 全文总结与展望

4.1 全文总结

4.2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢