分层充量压燃燃烧及排放机理多维数值模拟研究

论文摘要

分层充量压燃是扩展均质燃烧运行工况范围,使发动机可以在更宽广的负荷范围内实现高效清洁燃烧的有效技术途径,正受到国内外的广泛关注。本文应用多维流体力学模型与简化动力学模型耦合计算,以正庚烷为研究对象,研究了不同浓度分层条件下,分层压燃燃烧反应过程及有害排放物生成机理。本文首先在本课题组所发展的正庚烷均质压燃简化机理基础上,通过敏感性分析,发展了浓度分层条件下的简化动力学机理,与均质压燃简化机理相比,该机理能够适应更大的浓度分布范围,大大提高了简化机理的计算精度。在此基础上,建立了简化机理与CFD机理的耦合模型,对分层压燃燃烧过程进行了计算分析。计算结果表明,分层充量使得燃烧反应高温反应提前,燃烧从燃烧室内的浓混合气区开始,CO氧化反应速率降低,燃烧趋于平缓,浓度分层使燃烧持续期延长,有利于将高效清洁燃烧向高负荷工况方向拓展,但燃烧室内出现局部高温区,使得NOx排放量升高。作者通过采用气道喷射与缸内直喷实现不同的浓度分层方式,对不同浓度分层对燃烧和排放影响进行了计算分析。结果表明:缸内喷油量不变,缸内喷油时刻对燃烧与排放有较大的影响,发现喷油时刻为40°BTDC时为分界点,当喷油时刻早于40°BTDC,燃烧过程更接近于HCCI燃烧,高温燃烧速率加快,缸内压力和温度升高率增加,但燃烧室内的局部高温区不明显,NOx排放随喷油时刻的提前而降低;当喷油时刻晚于40°BTDC时,高温反应速率加快,燃烧室内局部相对高温区温度升高,NOx排放量增加,特别是当喷油时刻为13°BTDC时,预混燃烧的高温反应阶段和直喷燃料的扩散燃烧重合,缸内压力和温度升高率升高,NOx排放量明显增大。缸内喷油时刻不变,随着缸内喷油量增加,高温反应开始时刻提前,CO反应速率降低,燃烧室内局部温度升高,NOx排放量增加。本文研究结果对揭示分层燃烧机理,混合气浓度分布特性控制有重要的理论意义。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 分层充量燃烧研究现状
• 1.2.1 温度分层
• 1.2.2 浓度分层
• 1.3 内燃机计算模型简介
• 1.3.1 零维模型
• 1.3.2 准维模型
• 1.3.3 多维模型
• 1.4 本文选题及意义
• 第二章 计算软件及模型介绍
• 2.1 计算软件介绍
• 2.2 计算模型介绍
• 2.2.1 拉格朗日多相流基本方程
• 2.2.2 RNGκ-ε湍流模型
• 2.2.3 柴油机喷雾过程子模型
• 第三章 预混/直喷分层充量压燃燃烧机理多维数值研究
• 3.1 正庚烷分层压燃化学动力学简化模型研究
• 3.2 正庚烷分层压燃燃烧多维模型研究
• 3.2.1 参数定义
• 3.2.2 试验设备及多维模型初始边界条件
• 3.2.3 多维模型与试验的比较
• 3.2.4 分层压燃燃烧过程和均质压燃燃烧过程对比
• 3.2.5 分层压燃燃烧和均质压燃燃烧主要中间产物对比分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 喷油时刻和喷油量对分层充量燃烧过程及排放的影响
• 4.1 相同缸内喷油量不同喷油时刻的分层压燃燃烧过程对比
• 4.2 相同喷油量不同缸内喷油时刻的分层压燃燃烧的主要中间产物对比分析
• 4.3 相同喷油时刻不同缸内喷油量的分层压燃燃烧过程对比
• 4.4 相同喷油时刻不同缸内喷油量的分层压燃燃烧的主要中间产物对比分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢