汽油机SI-HCCI混合燃烧的仿真研究

摘要

均质压燃(Homogeneous Charge Compression Ignition,HCCI)作为一种高效、低排放的新型燃烧方式，受到了内燃机研究领域内的广泛关注。但其运行工况范围狭窄、燃烧模式切换等应用难点，成为工程应用的瓶颈。而在HCCI和传统的火花点火燃烧(SI)两种燃烧模式之间还存在着一种同时兼具两者特点的燃烧方式，即SI-HCCI混合燃烧，这种燃烧可以视作SI燃烧和HCCI的混合体。在HCCI失火限，可以通过引入火焰引燃实现稳定燃烧；在爆震限，利用前半程的火焰传播过程减慢放热速度，实现柔和的燃烧，并可顺利完成向大负荷SI燃烧的过渡。但是这种燃烧也因为同时具有两种燃烧的特性，而变得复杂。若要将其在实际中应用，必须揭示其内在燃烧机理和重要的外部影响因素，因此，开展SI-HCCI混合燃烧过程的三维仿真研究显得尤为迫切。
　　 本文以一台装配全可变气门机构的气道喷射单缸SI-HCCI发动机为原型建立计算模型。为适应SI-HCCI混合燃烧过程的模拟，发展了ECFM-3Z(ExtendedCoherent Flame Model-3 Zone)燃烧模型，并确定了燃烧模型的重要参数，多组仿真结果与实验的验证表明发展后的ECFM-3Z燃烧模型能够反映实际SI-HCCI汽油机燃烧的燃烧过程。
　　 在此基础上研究了外部控制参数(火花点火、进气温度和冷却水温等)对SI-HCCI混合燃烧的影响，主要结论如下：点火时刻靠后，缸内主要以SI燃烧为主，很难触发HCCI燃烧。点火时刻提前到一定程度时，缸内才会发生SI-HCCI混合燃烧时。在不同的废气率下，点火时刻对混合燃烧的结果不同。40％废气率下点火时刻对于混合燃烧控制作用微弱；废气率(30％)下点火时刻对混合燃烧的控制作用最为明显；废气率(20％)下需要有更早的点火时刻才能实现SI-HCCI混合燃烧。而缸内的流场变化和燃烧过程密切相关，较早的点火时刻提高了缸内的湍动能，从而提高了HCCI燃烧的比例。此外，研究通过改变进气温度和冷却水温度来调节缸内的温度条件，结果显示进气温度提高会均匀的提高缸内所有区域的温度，同时加快整个燃烧；而冷却水温的提高会使气缸中心温度提高较少，四周温度提高较多，更能触发HCCI的着火燃烧。通过对双火花塞的研究发现，双火花塞燃烧放热速率明显快于单火花塞的放热速率，有效地缩短燃烧持续期。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2 SI-HCCI混合燃烧的基本概念

1.3混合燃烧的主要影响参数

1.4混合燃烧的仿真模型

1.5本课题的研究内容和意义

第二章 SI-HCCI混合燃烧三维仿真平台

2.1 STAR-CD简介

2.2几何模型

2.3数学模型

2.3.1基本守恒方程

2.3.2 RNG k-ε湍流模型

2.3.3 ECFM-3Z燃烧模型及基本参数配置

2.4控制方程的离散

2.5数值计算算法

2.6边界条件

2.7本章小结

第三章 ECFM-3Z燃烧模型的发展与验证

3.1 SI-HCCI燃烧模式的转换方式

3.2 ECFM-3Z模型适用于SI-HCCI模拟的发展

3.3.ECFM-3Z燃烧模型关键参数的确定

3.4本章小结

第四章 SI-HCCI混合过程控制参数的影响研究

4.1点火时刻对于混合燃烧模式的影响

4.1.1点火时刻对SI-HCCI混合燃烧CA10、CA50、CA90及拐点时刻的影响

4.1.2点火时刻对SI燃烧比例的影响

4.1.3废气率对SI燃烧比例的影响

4.1.4 SI-HCCI混合燃烧过程的缸内流场

4.1.5 SI-HCCI混合燃烧过程的湍动能

4.2冷却水温和进气温度对混合燃烧的影响

4.2.1冷却水温对混合燃烧的影响

4.2.2进气温度对混合燃烧的影响

4.3双火花塞点火对混合燃烧的影响

4.4本章小结

第五章 全文总结

附录 SI-HCCI混合燃烧分界点的识别

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢