基于进气温度控制的乙醇燃料SI/HCCI复合燃烧模式发动机研究

论文摘要

本文在一台由柴油单缸机改进而成的乙醇SI/HCCI复合燃烧模式试验系统上分别实现了乙醇燃料火花点燃（SI）和均质压燃（HCCI）。结果表明,采用快速热管理系统实现了HCCI燃烧,HCCI燃烧方式只能在一定区域内运行,不能覆盖发动机运行的整个转速—负荷平面。在HCCI燃烧的运行范围内,与SI燃烧模式相比,HCCI燃烧热效率高、超低NOx排放的优点极为明显,整个工作区内比油耗的最大降幅达到30%,平均降幅超过10%,NOx排放的最大降幅达到98%,平均降幅超过60%。采取SI/HCCI复合燃烧模式将HCCI应用到了实际发动机上,在不同工况进行了两种燃烧模式的相互转换。结果显示,在当前试验条件下难以在一个工作循环内实现两种燃烧模式的平稳切换,通过分析试验所得数据,找出了影响转换平顺性的主要影响因素,最终提出了基于点火提前角、主节气门运动规律、供油规律的主动、协同控制策略,实现了两种燃烧模式的平稳转换。与试验并行,利用大型气相化学反应动力学软件包Chemkin进行了乙醇HCCI燃烧反应机理的模拟计算。计算显示,在HCCI燃烧模式下,乙醇氧化着火燃烧可分为反应链引发、活性基积累以及着火燃烧三个阶段,其主要通过C2H5OH+OH→产物、C2H5OH+O→产物、C2H5OH+CH3→产物这三种途径氧化消耗。改变燃烧边界条件时发现,随着进气温度的升高,乙醇氧化的总体反应速率增大,反应所需时间缩短;混合气越稀,着火准备期延长,燃烧也推迟;随着EGR率的增大,活性基OH浓度降低,CH2O等中间产物浓度降低,并且完全氧化时间后推,导致后期的CO浓度升高,最终CO排放升高。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外HCCI 燃烧的研究进展
• 1.2.1 HCCI 燃烧试验研究现状
• 1.2.2 HCCI 燃烧光学试验研究现状
• 1.2.3 HCCI 燃烧模拟研究现状[79]
• 1.3 复合燃烧模式概念的提出及研究进展
• 1.4 本论文开展的意义及主要内容
• 第二章 乙醇燃料 SI/HCCI 复合燃烧模式发动机试验系统
• 2.1 试验燃料
• 2.2 乙醇燃料SI/HCCI 复合燃烧模式发动机
• 2.2.1 压缩比
• 2.2.2 燃料供给和点火系统
• 2.2.3 模式转换控制系统
• 2.3 快速热管理系统（FTMS）及废气再循环（EGR）系统
• 2.4 数据采集系统
• 2.5 发动机控制系统
• 2.5.1 控制系统硬件设计
• 2.5.2 控制系统软件设计
• 2.6 试验方法和试验设备
• 2.6.1 试验方法
• 2.6.2 试验装置
• 2.7 本章小结
• 第三章 乙醇燃料 SI/HCCI 复合燃烧模式发动机性能试验研究
• 3.1 SI/HCCI 混合燃烧模式发动机的性能
• 3.2 SI/HCCI 燃烧方式的工作区域
• 3.3 乙醇HCCI 燃烧工作区域内的性能指标
• 3.3.1 工作区内的过量空气系数
• 3.3.2 HCCI 工作区内的经济性
• 3.3.3 工作区域内的排放指标
• 3.4 SI/HCCI 燃烧模式转换的研究
• 3.4.1 燃烧模式转换工况点的选择
• 3.4.2 失火边界两种燃烧模式相互转换
• 3.4.3 爆震边界两种燃烧模式相互转换
• 3.4.4 燃烧模式转换波动率的表示方法
• 3.5 本章小结
• 第四章 乙醇 SI-HCCI-SI 燃烧模式转换平顺性研究
• 4.1 火花助燃对HCCI 燃烧稳定性及燃烧模式转换平稳性的影响
• 4.1.1 火花助燃对HCCI 燃烧稳定性的影响
• 4.1.2 点火提前角对燃烧模式转换平稳性的影响
• 4.2 实现SI/HCCI 燃烧模式平稳转换控制策略的优化
• 4.2.1 影响SI/HCCI 燃烧模式转换平顺性的因素分析
• 4.2.2 SI/HCCI 燃烧模式转换策略的提出及优化
• 4.2.4 驱动机构的设计
• 4.2.5 爆震边界SI-HCCI-SI 相互转换
• 4.2.6 失火边界SI-HCCI-SI 相互转换
• 4.3 本章小结
• 第五章 乙醇均质压燃（HCCI）零维数值模拟
• 5.1 Chemkin 软件和计算模型简介
• 5.1.1 SENKIN 模块介绍
• 5.1.2 基本控制方程
• 5.1.3 热力学基础模型
• 5.1.4 化学反应速率模型
• 5.1.5 化学反应敏感性系数
• 5.1.6 生成速率分析
• 5.1.7 发动机模型和传热模型
• 5.1.8 化学动力学模型
• 5.2 计算模型的验证
• 5.3 乙醇HCCI 燃烧化学动力学氧化机理分析
• 5.4 乙醇HCCI 燃烧反应放热机理分析
• 5.5 边界条件对乙醇氧化过程的影响
• 5.5.1 进气温度对乙醇氧化过程的影响
• 5.5.2 过量空气系数对乙醇氧化过程的影响
• 5.5.3 EGR 对乙醇氧化过程的影响
• 5.6 乙醇燃料HCCI 燃烧工作区的模拟
• 5.6.1 乙醇HCCI 燃烧的工作区域
• 5.6.2 乙醇HCCI 燃烧工作区内的最高压力和压力升高率
• 5.6.3 乙醇HCCI 燃烧工作区内NOx、CO 排放
• 5.7 本章小结
• 第六章 全文总结及工作展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.1.1 完成的主要工作
• 6.1.2 得出的主要结论
• 6.2 本研究主要创新点
• 6.3 今后工作展望
• 参考文献
• 图表索引
• 攻读博士学位期间发表的论文和参加的科研工作
• 摘要
• Abstract
• 致谢