HCCI发动机燃烧多维数值模拟(Ⅰ)——模型的建立和比较

使用多维骨架动力学模型模拟了以异辛烷为燃料的均质压燃(HCCI)发动机的燃烧过程。通过结合多维CFD程序KIVA和反应动力学程序CHEMKIN实现了化学反应与流动的耦合运算。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RNG k-ε湍流模型和标准k-ε湍流模型、Han和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RNG k-ε湍流模型、Han和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。     

HCCI发动机多区燃烧模型的比较研究

多区模型作为现阶段均质压燃（HCCI）发动机高效准确的数值模型得到了世界范围的广泛关注。讨论了不同子模型对多区模型预测性能的影响。以实验为基准,比较了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,全部计算均基于异辛烷的详细化学动力学机理。结果表明：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效果,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。     

适用于HCCI发动机的异辛烷氧化的化学动力学模型(Ⅱ)——一个新的骨架机理

构造了一个包括40种组分和69个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。     

适用于 HCCI 发动机的异辛烷氧化的化学动力学模型(Ⅰ)--现有模型的比较分析

通过分析各种不同的异辛烷反应机理的概况,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.采用零维单区模型,通过5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.     

MULINBUMP HCCI燃烧控制特性的试验和数值模拟

通过试验和数值模拟方法研究了MULINBUMP-HCCI燃烧控制特性.发动机试验表明,通过控制多脉冲喷射参数可以控制预混合气的形成,从而控制燃烧放热速率,获得很低的排放水平.在不采用废气再循环的条件下,NOx排放在低负荷时只有11×10-6,高负荷时也不超过250×10-6,烟度则始终小于0.5 BSU.对多脉冲喷射预混合气形成历程的CFD数值模拟表明,不同的多脉冲喷射定时在混合气形成过程中形成不同的浓度和温度分层,从而引起燃烧特性的变化.通过控制多脉冲喷射参数来控制HCCI燃烧相位和燃烧速率是一种实用、有效的策略.     

缝隙区催化燃烧影响HCCI发动机燃烧与排放特性的多维数值模拟

将发动机多维CFD程序KIVA-3V与化学动力学程序CHEMKIN Ⅲ及DETCHEM相耦合,模拟了缝隙区催化燃烧对HCCI发动机燃烧及排放特性的影响.发动机以甲烷为燃料,其表面和空间采用详细的化学反应动力学机理.利用此模型分析了活塞顶部及侧面催化剂铂涂层对HCCI发动机着火时刻、缸内温度场及HC、CO、NO浓度场的影响.结果表明,当仅活塞顶存在催化剂涂层时,HCCI发动机着火时刻提前,HC、CO排放降低;当活塞顶及缝隙区同时存在催化剂时,HC、CO的排放更低,但NOx排放略有升高.     

采用多维数值模拟研究汽油HCCI发动机的排放物生成及演变规律

将发动机多维CFD程序KIVA-3V与化学动力学程序CHEMKINⅢ相耦合,分析了汽油HCCI发动机燃烧特性及排放物的生成机理及演变规律.发动机以异辛烷为燃料,其化学反应采用了详细的动力学机理.结果表明,此计算模型所得到的缸内压力及放热率的变化趋势与实验基本吻合;由于缝隙区温度较低,因而其成了汽油HCCI发动机HC排放的主要来源,而CO排放的主要来源则是边界层区;由于气缸中心区域温度较高,而NO的生成与温度呈指数关系,因此该区域为汽油HCCI发动机NO排放的主要来源.     

适用于HCCI发动机的异辛烷氧化的化学动力学模型（I）——现有模型的比较分析

通过分析各种不同的异辛烷反应机理的概况，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。采用零维单区模型，通过5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。     

HCCI柴油机燃烧过程数值模拟研究

均质压燃(HCCI:homgeneous charge compression ignition)燃烧方式已成为发动机领域的硬件研究热点。针对CA4D32-09型柴油机,对HCCI燃烧过程进行了计算模拟,并利用统计的方法对影响HCCI燃烧特性的因素进行分析,通过计算得出HCCI发动机燃烧过程的影响因素及发动机主要参数对混合气均质特性的作用。     

均质压燃式(HCCI)燃烧的研究

均质压燃式（HCCI）燃烧方式是目前内燃机燃烧领域的研究热点。HCCI燃烧是以预混合燃烧和低温反应为特征的燃烧方式。采用HCCI燃烧方式可以同时有效降低柴油机的NOX和碳烟排放，并提高柴油机的循环热效率。HCCI发动机通常工作在高空燃比和较低的压缩比条件下，工作范围较小，高负荷时功率输出不足。“双模式”HCCI发动机是解决上述问题的有效途径，并成为近期HCCI发动机研究中的热点。     

适用于柴油HCCI燃烧的碳烟半经验模型研究

将改进的碳烟半经验模型和简化正庚烷的化学反应机理纳入KIVA-3V程序中,以描述柴油燃烧过程中碳烟的生成和氧化历程。通过以正庚烷为燃料的激波管试验验证发现,在较宽的温度和压力范围内,该碳烟半经验模型可以相对准确地预测碳烟的生成率、颗粒直径和数密度。在定容燃烧器中典型的传统柴油机的扩散燃烧和接近于均质压燃(HCCI)发动机的预混燃烧状况下,应用此碳烟模型进一步研究了喷孔直径和喷射压力对碳烟排放的影响。结果发现模型预测得到的碳烟体积分数分布与试验吻合得较好,同时显示当控制局部当量比小于2.0时可以避免碳烟的生成。     

均质压燃(HCCI)燃烧过程控制方式的研究

均质压燃(HCCI)燃烧方式是目前内燃机燃烧领域的研究焦点。因HCCI发动机的燃烧过程主要由可燃混合气的化学动力学所控制，故很难在全负荷范围内控制它的着火时刻和燃烧放热率。因此，HCCI燃烧过程的控制成为HCCI研究热点。本文根据一些控制HCCI发动机燃烧过程的研究结果对其进行阐述。     

HCCI甲醇发动机燃烧过程三维数值模拟

以AVL-FIRE作为三维瞬态模拟软件,对HCCI甲醇发动机在1500、3000和5000r/min三种工况下燃烧过程进行了数值模拟。结果表明:这三种转速下燃烧过程混合气的速度和浓度分布相似;转速越高,火焰前锋的速度越大,燃烧越迅速,而缸内混合气当量比越小。结果还表明:在排气门开启时刻缸内未燃甲醇的量较高,碳烟的排放量很低,小于1×10-9。计算结果可为HCCI甲醇发动机的燃烧和排放性能改善提供一定的理论依据。     

改善HCCI发动机着火性能的燃油添加剂的研究进展

本文综述了改善HCCI低负荷着火添加剂的研究进展,着重介绍了添加剂的选择依据及添加剂改善着火的作用机理.本文指出二烷基过氧化物类燃油添加剂具有良好的应用前景和下一步需要解决的问题.     

适用于HCCI的正庚烷化学动力学简化模型的研究和比较

利用敏感性分析、主要组分分析以及准稳态假定3种方法,将含有44种组分和72个反应的SKLE正庚烷简化模型再简化到40种组分和56个反应;简化后的模型对滞燃期的预测结果与LLNL详细模型非常接近,与激波管实验结果基本吻合,适用于HCCI发动机的多维模型的计算.与其他模型比较发现,Patel等人的模型缺少在低温区起关键作用的反应,即二次加氧反应(.QOOH+O2.OOQOOH),而Tanaka等人的模型缺少了CO的主要生成历程;在HCCI发动机典型工况范围内,SKLE简化模型预测着火时刻与LLNL详细模型吻合最好,Tanaka等人模型和Patel等人模型表现稍差,说明构建简化动力学模型时必须保证低温反应路径主干完整,同时不能忽略CO的主要生成历程.     

燃料特性对HCCI发动机燃烧和工况范围影响

在一台改装的4缸直喷柴油机上进行燃料特性对均质压燃(HCCI)燃烧和工况范围影响的试验研究.试验选用6种不同燃料:基础燃料(PRF)、汽油以及基础燃料与乙醇混合物.控制6种发动机运转条件:不同进气温度(tin)、进气压力(pin)和转速.结果表明:在某些运转条件下,汽油着火时刻最早,而在另一些运转条件下,PRF着火时刻最早,这就表明燃料特性对HCCI燃烧过程的影响依赖于发动机运转条件.选用敏感性燃料协同合理的运转条件控制,对于运行工况范围的拓展具有更大潜在优势.CAS0(放热完成50%所对应的曲轴转角)与辛烷值指数(OI)具有很好的相关性,OI越高,着火越晚.然而,使用基础燃料与乙醇的混合物时,OI与着火时刻不具有相关性.     

正庚烷HCCI燃烧下芳香烃及多环芳烃形成的多维数值研究

将发动机多维CFD程序KIVA-3V与化学动力学程序CHEMKIN III相耦合,对正庚烷HCCI燃烧下芳香烃(苯)与多环芳烃(萘、菲及芘)的生成及演变规律进行了详细分析.发动机以正庚烷为燃料,其化学反应采用了正庚烷的燃烧与分解、多环芳烃生成的详细反应机理.结果表明在缸内混合气着火前,A1(苯)的质量浓度场较不均匀,在缸中心区域A1质量浓度较高,而在边界层及缝隙区则相对较低;然而在缸中心区域及缝隙区,A2(萘)、A3(菲)与A4(芘)的质量浓度场较低,而在边界层区则相对较高.在缸内混合气着火后,在缸中心区域及边界层区,A1～A4质量浓度较低,而在缝隙区则相对较高.混合气着火后短暂时间内为A1～A4生成的高峰期,在经历高峰期后A1～A4质量平均浓度迅速降低.同时,在排气门打开(120°CA ATDC)时,在这4种芳香烃与多环芳烃中,苯的排放量最高,萘其次,而芘的排放量则最低.     

天然气HCCI发动机燃烧特性和排放物的数值模拟研究

本文分析利用CHEMKIN软件中的零维单区HCCI模型模拟了不同的边界参数包括:压缩比、进气温度、进气压力和转速对天然气HCCI发动机燃烧特性及排放物的影响。利用模拟的结果分析了边界参数的变化对发动机缸内温度、压力、着火时刻和污染物排放的影响,为合理选择天然气HCCI发动机的边界参数提供了参考。     

正庚烷HCCI燃烧过程的数值模拟及试验研究

结合详细化学动力学机理,运用最新的CHEMKIN—Ⅳ化学动力学软件包中的IC enginc模块模拟了正庚烷的HCCI燃烧过程。并在一台高速四缸柴油机上进行了单缸正庚烷HCCI燃烧试验。分别从理论和试验上研究了正庚烷的HCCI燃烧过程以及各种参数变化对燃烧过程的影响,研究表明：正庚炕燃烧过程由低温反应和高温反应两阶段组成,NC7KET裂解生成OH是低温阶段最重要的反应,高温阶段着火是由H2O2裂解所触发的,低温阶段着火对高温阶段着火起着关键作用;各种参数的变化会导致燃烧过程的显著变化。     

湍流对缸内存在催化燃烧的HCCI发动机燃烧与排放特性的影响

将发动机多维CFD程序KIVA-3V与化学动力学程序CHEMKIN Ⅲ及DETCHEM相耦合,模拟了湍流模型对缸内存在催化燃烧的HCCI发动机燃烧及排放特性的影响.发动机以甲烷为燃料,其表面和空间化学反应采用了详细的动力学机理.分析了两种湍流模型对缸内存在催化燃烧的HCCI发动机着火时刻、缸内温度场及HC、CO、NO浓度场的影响,结果表明当采用RNG k-ε模型时,与采用标准k-ε模型相比,HCCI发动机着火时刻会有所延迟,HC、CO排放有所升高,但Nox的排放将会有大幅降低.