均质压燃（HCCI）发动机着火与燃烧过程的理论与数值研究

论文摘要

由于全球经济的飞速发展，能源危机和环境污染问题日益严重，而汽车作为能源消耗和环境污染的主要来源得到了全世界研究者的广泛重视。其中均质压燃(HCCI)发动机以其高经济性、低NO_x和微粒排放的突出优越性成为目前发动机研究的主要方向之一。HCCI在非常短的时间内从概念变为现实，数值模拟是一个主要的推动因素。本文通过数值模拟研究了HCCI发动机着火与燃烧过程，主要目的是通过模拟工具更好地理解HCCI燃烧过程，并进一步推动其发展。 首先，通过修改并整合目前国际流行的HCCI燃烧模型，建立一套由单区、多区、多维模型和解析解构成的完整的HCCI发动机的模拟系统，对HCCI发动机着火点的预测、运行工况范围的拓展和排放物的控制提供准确迅捷的信息。 1、应用单区模型对多种工况参数下的HCCI燃烧和NO_x排放进行了系统的计算，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。 2、通过比较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，发现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精度，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。通过应用一个有质量交换的6区模型模拟了正庚烷在HCCI发动机中的燃烧和排放特性，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。利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。进一步利用多区模型预测了HCCI发动机的运行范围，其边界由敲缸(由声响强度计算)、部分燃烧(由燃烧效率计算)和循环变动(由平均有效压力对进气温度的敏感度计算)确定。通过模拟一台以异辛烷为燃料的HCCI发动机发现在不同当量比和进气温度下计算得到的敲缸极限、循环变动极限均与实验相当吻合，从而很好地再现了HCCI发动机的运行范围。在此基础上，研究了运行范围随转速的变化，讨论了通过调节进气温度和当量比，在不同转速下最大可运行范围。并考察了通过使用变压缩比、增压两种策略扩展HCCI发动机运行范围的潜力。 3、通过结合多维CFD程序KIVA和反应动力学程序CHENKIN实现了化学反应与流动的耦合运算。计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

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 HCCI燃烧
• 1.3 HCCI发动机的研究历史
• 1.4 HCCI发动机的优点
• 1.5 HCCI发动机面临的挑战
• 1.6 HCCI模型研究的重要性
• 1.7 本文主要的研究内容和结构
• 2 HCCI发动机数学模拟研究进展
• 2.1 HCCI发动机的计算模型
• 2.1.1 单区模型
• 2.1.2 多区模型
• 2.1.3 随机反应器模型
• 2.1.4 多维模型
• 2.1.5 控制模型
• 2.2 化学反应动力学模型
• 2.2.1 碳氢燃料的氧化过程
• 2.2.2 化学动力学机理
• 3 单区模型模拟
• 3.1 计算模型
• 3.1.1 控制方程
• 3.1.2 热传递模型
• 3.2 化学动力学模型
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 进气温度的影响
• 3.3.2 进气压力的影响
• 3.3.3 压缩比的影响
• 3.3.4 过量空气系数的影响
• 3.3.5 转速的影响
• 3.3.6 燃烧过程中各化学组分的变化
• 3.4 本章小结
• 4 多区模型模拟
• 4.1 多区模型的建立和比较
• 4.1.1 计算模型
• 4.1.2 结果和讨论
• 4.2 多区模型对HCCI发动机燃烧与排放的计算
• 4.2.1 计算模型
• 4.2.2 结果和讨论
• 4.3 HCCI发动机的运行范围的预测
• 4.3.1 计算模型
• 4.3.2 结果和讨论
• 4.4 本章小结
• 5 多维模型模拟
• 5.1 多维模型的建立和比较
• 5.1.1 计算模型
• 5.1.2 结果和讨论
• 5.2 运行工况向高负荷扩展方法的探讨
• 5.2.1 计算模型
• 5.2.2 结果和讨论
• 5.3 本章小结
• 6 适用于HCCI发动机的异辛烷氧化的化学动力学模型
• 6.1 现有模型的比较分析
• 6.1.1 异辛烷反应机理
• 6.1.2 异辛烷氧化的主要实验研究
• 6.1.3 各种反应机理在HCCI发动机相关实验中的性能比较
• 6.2 一个新的骨架机理
• 6.2.1 机理的构造方法
• 6.2.2 机理的验证
• 6.3 本章小结
• 7 HCCI发动机着火时刻的近似解析解
• 7.1 理论模型
• 7.1.1 模型的建立
• 7.1.2 体积变化的表达式
• 7.1.3 无量纲化求解
• 7.2 计算结果
• 7.2.1 单步机理的构造
• 7.2.2 缸内体积的变化
• 7.2.3 解析解的计算结果
• 7.3 本章小结
• 8 多维模型反应动力学计算的加速方法——ISAT的研究
• 8.1 HCCI发动机中反应动力学计算加速方法
• 8.1.1 化学反应机理的简化法
• 8.1.2 存储／提取法
• 8.2 ISAT在HCCI发动机多维详细反应动力学计算中的应用
• 8.2.1 计算模型
• 8.2.2 结果和讨论
• 8.3 ISAT改进方法的研究
• 8.3.1 切割平面的确定
• 8.3.2 搜索算法的改进
• 8.3.3 存储库的改进
• 8.3.4 增长对误差的影响
• 8.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 多区模型中Easley质量交换模型的推导
• 附录B 异辛烷的骨架机理
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书