一个新的用于HCCI发动机燃烧研究的正庚烷化学反应动力学简化模型

提出了一个新的适用于HCCI发动机燃烧研究的正庚烷化学反应动力学简化模型，包含44种组分和72个反应。由四个子模型组成：低温反应子模型是在Li等人模型的基础上，定义具体的醛类(RcH0)产物和小分子碳氢产物(Rs)而构建；增加了用于链接低温反应向高温反应过渡的大分子直接裂解成小分子反应子模型；高温反应子模型是在Griffiths等人模型的基础上，去除了无关的基元反应，增加两个关于CO和CH3O的氧化反应而构建；此外，还采用了Golovitchev简化模型中NOx生成子模型。新模型能够模拟正庚烷HCCI燃烧的冷焰和热焰反应以及NOx生成的整个过程，与详细模型计算结果吻合较好。CPU计算时间是详细模型的1／1000，为CFD多维模型与化学反应动力学模型相耦合的燃烧计算提供了可行的途径。     

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。     

基于并行计算的二次喷射式HCCI汽油机的三维数值模拟

建立了缸内直喷HCCI汽油机带进、排气道的燃烧系统的三维工作过程循环数值模型,实现了HCCI发动机包括进气、压缩、燃烧、膨胀和排气工作过程的三维循环模拟并进行了验证.首先基于并行计算进行了不同当量比(负荷)工况下HCCI发动机缸内过程的对比分析,研究了负荷对HCCI发动机着火、燃烧和排放的影响.进而模拟了缸内直喷二次喷射的HCCI发动机循环工作过程,解析了HCCI发动机着火燃烧和排放过程,揭示了HCCI发动机缸内直喷二次喷射控制着火的规律.计算结果有助于对HCCI燃烧过程的深入理解,为HCCI发动机燃烧过程的优化提供了依据.     

缸内直喷汽油HCCI发动机瞬态特性的研究

通过缸内直喷两次喷射的方法,均质充量压缩着火(HCCI)燃烧在稳态工况下能够被有效地控制。对于瞬态工况,不仅要求对燃烧能够灵活控制,而且必须具有快速的响应特性。研究了HCCI发动机在转速和负荷发生改变时的瞬态特性。结果表明,在发动机转速改变时,HCCI燃烧具有自平衡特性。通过调节两段喷油比例,可以抵消由于诸如转速变动等工况变化引起的燃烧相位改变。同时改变喷油策略和循环供油量成功地实现了负荷的调节,调节过程在一个发动机循环内完成。通过优化负荷调节过程的中间喷油策略,可以进一步平滑动态过程,使燃烧波动得到抑制。发动机的响应特性显示,由负阀重叠(Negative Valve Overlap,NVO)实现的HCCI燃烧对部分边界调节不敏感,通过调节喷油策略能够提高HCCI燃烧的鲁棒性。     

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。     

一个新的适用于HCCI燃烧及排放研究的PRF燃料化学反应简化机理

提出了一个适用于HCCI燃烧过程研究并能考虑重要排放物的基础燃料简化动力学机理,包含42种物质,62个反应.简化机理与激波管试验以及详细机理在理论当量比,温度范围667～1 250 K,不同基础燃料配比(PRF100、PRF90、PRF80、PRF60、PRF0)下对滞燃期的预测较为吻合.与快速压缩机试验对比表明,简化机理对PRF90燃料在不同当量比及不同初始温度下对滞燃期的预测较为准确.与HCCI发动机试验对比表明,简化机理在不同基础燃料配比下(PRF90、PRF75、PRF50、PRF25)对滞燃期的预测较为准确.敏感性分析表明,针对PRF75燃料HCCI燃烧情况,更多正庚烷反应影响低温着火进程,更多异辛烷反应影响高温着火进程,异辛烷的烯烃裂解反应对着火速率的影响很大.     

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。     

基于敏感性分析的DME燃烧机理简化研究

结合敏感性分析和反应速率分析提出了一种可用于发动机HCCI燃烧模拟的简化DME反应机理,该模型由28个组分和32个基元反应组成.通过与详细机理的对比分析,验证该模型可以正确解释DME燃烧过程的特点,能够在反应条件变化时和详细机理相一致.在添加适当反应的情况下,该模型可用于预测NOx的排放,为多维模拟HCCI燃烧过程提供了一种可行的途径.     

基于动态递归神经网络的HCCI发动机燃烧相位辨识模型

为了实现HCCI汽油机闭环反馈控制,提出了一种利用动态递归神经网络从气缸压力信号在线辨识燃烧相位CA50(燃烧50%累积放热量的曲轴转角)的方法.该方法采集上止点附近40°CA范围的气缸压力信号,经过归一化和主元素法降维处理后,得到一个由9个特征数构成的时间序列.一个Elman动态递归神经网络以该序列为输入,计算出燃烧相位CA50.以基于全可变气门机构的汽油HCCI发动机为对象,选取了台架试验中4个典型的HCCI动态变负荷过程数据,其中一个作为训练样本,另外3个作为测试样本.测试结果表明该方法对HCCI动态过程的燃烧相位CA50预测误差小于0.25°CA;与BP网络和RBF网络相比,具有更低的误差和更强的泛化能力;与直接热力学计算方法相比,具有突出的抗干扰性和容错能力.     

正庚烷甲苯混合物燃烧简化机理分析

提出了一个新的包括多环芳香烃(PAH)生成的正庚烷/甲苯混合物燃烧化学动力学简化机理.该机理包括64种物质,120个反应,与激波管内滞燃期实验结果吻合较好.在不同进气氧体积分数下,使用该机理对柴油机缸内燃烧过程进行了计算,其结果与缸内的实验结果吻合良好.通过机理的敏感性分析发现,PAH的重要前驱物乙炔主要是由甲苯反应路径中的C6H5及C6H4O2生成,说明在正庚烷中加入甲苯会对模拟柴油的燃烧特别是碳烟的生成有很大的影响;过氧化氢自由基HO2和羟自由基OH在甲苯、正庚烷的分解反应及小分子烃的裂解和氧化反应中都起着非常重要的作用.     

耦合CFD和详细化学动力学的燃烧模拟及其并行计算的实现

以KIVA3V和CHEMKIN Ⅱ为研究平台,建立耦合详细化学反应动力学的多维CFD模型.为了解决耦合多维模型求解时间长的问题,对耦合程序进行了二次开发,使其能在基于MPI的超级计算机和高速网络连接的PC集群等多种并行计算平台上运行.在二次开发中,提出了一种具有间歇特征的并行计算方案.在超级计算机--深腾6800上,使用耦合程序模拟了天然气SI发动机的燃烧过程.计算表明,模拟结果与试验数据有着较好的一致性;模拟计算具有较高的并行效率.     

均质压燃发动机燃烧特性的详细反应动力学模拟

应用CHEMKIN化学动力学软件包中的SENKIN模块模拟了正庚烷在HCCI发动机中的燃烧过程。通过修改SENKIN程序,加入了Woschni传热模型,并在正庚烷详细氧化机理中加入氮氧化物的生成机理,将此程序纳入发动机燃烧的零维单区模型。对多种工况参数下的HCCI燃烧和NOx排放进行了系统的计算,并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。     

柴油均质压燃发动机的循环模拟研究

建立了一个柴油均质压燃发动机的零维循环计算模型,用基元反应机理和感应时间（EMIT）模型预测着火正时,用拟合的对数正态分布函数计算不同工况的放热率。与试验的对比表明,模型能够比较准确地预测不同工况柴油均质压燃发动机的工作性能。用建立的模型分析了配气定时对柴油均质压燃燃烧过程的影响,计算表明配气定时可以控制均质压燃燃烧的运行工况范围。     

微种群遗传算法在HCCI燃烧模型动力学参数标定中的应用

介绍了一种新兴的高效全局寻优方法——微种群遗传算法,并采用该方法,同时结合CHEMKIN化学动力学软件中的SENKIN模块以及发动机零维单区模型,对新发展的正庚烷化学反应动力学简化模型(40种组分,62个反应)中的7个动力学参数进行了标定．模拟结果表明,标定后的简化动力学模型在当量比0．1～1．3,温度300～3000 K的范围,对着火时刻的预测与详细模型(544种组分,2 446个反应)吻合较好．     

发动机均质压缩燃烧单区模拟模型及其应用

介绍一种基于燃料氧化反应动力学计算的单区模型,该模型由一维空间的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和气体状态方程等气相化学反应动力学控制方程所组成。采用该模型并利用二甲醚氧化的详细化学反应动力学机理,对二甲醚燃料在柴油机上的均质压缩燃烧HCCI进行了模拟计算和试验研究。计算结果与试验结果比较表明,该模型对HCCI燃烧的着火始点预测很好。     

均质压燃发动机燃烧与排放的多区模型模拟

应用一个有质量交换的6区模型模拟正庚烷在HCCI发动机中的燃烧和排放特性．通过把缸内划分为缝隙区、边界层区、外核心区和内核心区,加入Woschni传热模型计入了缸内的温度和浓度的不均匀分布．全部计算基于正庚烷燃烧的包含57种组分290个反应的详细机理,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．最后采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．     

米勒循环拓展均质压燃燃烧负荷范围的计算

针对柴油均质压燃燃烧中的压缩上止点喷射模式容易产生燃油附壁的特点,建立了基于喷雾、燃油附壁、油膜蒸发和燃烧等一系列过程的数学模型,利用该模型对135单缸柴油机进行了校核计算.在校核模型基础上完成了米勒循环拓展早喷模式均质压燃燃烧发动机负荷范围的计算,结果表明:在较低进气压力下(绝对压力小于0.14,MPa),最高燃烧温度是拓展负荷范围的限制条件;在较高的进气压力下(绝对压力大于0.14,MPa),最大压升率成为主要限制条件.通过过量空气系数与增压压力的匹配关系,实现维持排放水平的前提下拓展均质压燃燃烧发动机负荷,最大平均指示压力从0.889,MPa提高到1.029,MPa.     

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.     

EGR柴油机HCCI燃烧模拟与分析

通过AVL Boost建立了柴油机HCCI燃烧模型,研究不同EGR率和压缩比对HCCI燃烧过程的影响情况.运用数学分析方法进行优化,获得HCCI柴油机平稳工作相应的EGR率和压缩比组合数据.