柴油机高效清洁燃烧方式基础理论研究

论文摘要

围绕φ? T燃烧原理图探索能避开NOx和soot排放区域的柴油机高效清洁新型燃烧方式是目前国际内燃机界研究的热点。本文以CFD与化学动力学耦合数值模拟研究为主要手段,结合实验研究,对均质充量压缩燃烧（HCCI）、混合气分层充量压燃（SCCI）和EGR稀释的低温燃烧（LTC）三种燃烧方式燃烧排放机理及高效清洁燃烧基础理论进行了系统研究。本文首选以正庚烷为对象,研究了HCCI燃烧反应动力学机理,结果表明:正庚烷燃烧呈现低温反应和高温反应阶段双阶段燃烧。低温反应阶段发生的关键是庚烷基的两次加氧过程,高温反应阶段是CH2O氧化成CO2的过程。在此基础上发展了HCCI简化动力学模型,并建立与CFD耦合的数学模型。结果表明:低温反应先在气缸压缩余隙和燃烧室内壁发生;高温反应开始于燃烧室内核区及气缸压缩余隙。未燃碳氢（UHC）排放主要来自于侧隙,大部分CO排放在气缸壁面附近。HCCI燃烧和排放特性实验研究表明,混合气变浓,缸内最大爆发压力和放热率峰值都升高,主燃烧持续期缩短,燃烧效率升高,指示热效率先上升后下降,UHC排放先降低再升高,CO排放降低。对正庚烷HCCI燃烧简化机理进行扩展和修正,发展了正庚烷分层充量压燃简化动力学机理。应用简化机理与CFD耦合,对缸内七种理论分层模式的燃烧及排放生成机理进行研究,结果表明:中心浓的前四种分层使着火时刻提前,最大压力升高率降低。七种理论分层燃烧UHC排放都比HCCI燃烧低,中心浓的分层使CO排放和NOx排放恶化,周边浓的后两种分层能使NOx排放基本不变而UHC排放和CO排放降低。对于预混/直喷分层燃烧来说,低温反应先发生在压缩余隙和凹坑内活塞表面附近的燃料均质分布区,而高温反应先发生在喷雾导致的浓混合气区域。在预混合气低温燃烧开始时刻附近喷油与中心浓的分层类似,小比例喷油条件下,-65 deg. ATDC前早喷与周边浓的分层类似。最后,本文应用实验和CFD数值模拟对在低氧浓度条件下LTC机理进行了研究,结果表明:随着氧浓度的降低,缸内压力峰值降低,滞燃期延长且预混燃烧放热比例增加;碳烟排放先升高后降低,低氧浓度soot排放降低的本质是低缸内温度抑制了soot的生成。缸内温度降低导致NOx和CO排放快速降低;HC排放先降低,在低氧浓度条件下又快速升高。随着喷油压力增加,缸内流场速度和湍动能都增加。促进燃油与空气的混合,碳烟排放的最高值和最终值都很显著降低。NOx排放其最终生成量随喷油压力增加而增大。进气压力增大,增大进气压力能改善低氧浓度局部缺氧的情况。soot生成的最大值和最终值都随进气压力的增大而降低。进气压力增大,最大局部温度的降低使得NOx排放降低。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 能源危机与环境保护
• 1.2 传统燃烧方式面临的挑战
• 1.2.1 传统汽油机燃烧
• 1.2.2 传统柴油机燃烧
• 1.3 内燃机新型燃烧方式
• 1.3.1 均质混合气压缩着火（HCCI）燃烧方式
• 1.3.2 分层充量压缩（SCCI）燃烧方式
• 1.3.3 低温燃烧（LTC）方式
• 1.4 柴油机新型燃烧方式的控制策略
• 1.5 内燃机新型燃烧方式数值模拟研究发展
• 1.5.1 零维单区详细化学动力学模型
• 1.5.2 准维多区详细化学动力学模型
• 1.5.3 多维CFD 耦合多区模型
• 1.5.4 多维CFD 耦合化学动力学模型
• 1.6 本课题研究的内容和意义
• 第二章 内燃机数值模拟基础
• 2.1 RNG 湍流模型
• 2.2 喷雾子模型
• 2.2.1 喷嘴模型
• 2.2.2 破碎模型
• 2.2.3 雾化模型
• 2.2.4 撞壁模型
• 2.2.5 燃油沸腾蒸发模型
• 第三章 均质混合气压缩着火（HCCI）燃烧化学反应动力学研究
• 3.1 HCCI 燃烧详细化学动力学过程分析
• 3.1.1 低温反应阶段
• 3.1.2 高温反应阶段
• 3.2 初始温度对HCCI 燃烧化学动力学过程的影响
• 3.3 正庚烷HCCI 燃烧简化动力学模型
• 3.3.1 简化机理的构建
• 3.3.2 简化机理有效性分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 均质混合气压缩着火（HCCI）燃烧多维数值模拟和实验研究
• 4.1 简化机理与耦合模型
• 4.1.1 计算网格和初始条件
• 4.1.2 CFD 与简化动力学耦合模型的验证和标定
• 4.2 正庚烷HCCI 燃烧过程分析
• 4.2.1 低温反应阶段
• 4.2.2 负温度系数区
• 4.2.3 高温反应阶段
• 4.3 正庚烷HCCI 燃烧主要排放物分析
• 4.4 当量比对燃料及重要中间产物生成消耗历程的影响
• 4.5 正庚烷HCCI 燃烧特性和排放特性实验研究
• 4.5.1 实验方案的确定及实验装置
• 4.5.2 燃空当量比对正庚烷HCCI 燃烧特性的影响
• 4.5.3 正庚烷HCCI 燃烧工况范围
• 4.5.4 正庚烷HCCI 燃烧的燃烧效率和指示热效率
• 4.5.5 燃空当量比对正庚烷HCCI 排放特性的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 分层混合气压缩燃烧（SCCI）模式燃烧机理数值模拟研究
• 5.1 混合气浓度对燃烧反应动力学的影响及简化机理研究
• 5.1.1 正庚烷分层充量压燃简化动力学模型
• 5.1.2 CFD 与分层压燃简化动力学耦合模型的验证和标定
• 5.2 混合气分层对燃烧和排放的影响的理论研究
• 5.2.1 计算初始条件
• 5.2.2 浓度分层对缸内平均压力的影响
• 5.2.3 浓度分层对排放的影响
• 5.3 大部分燃料均质分布，小部分燃料缸内直喷的预混/直喷分层压燃研究
• 5.3.1 计算网格和计算初始条件
• 5.3.2 预混/直喷分层压燃燃烧机理分析
• 5.3.3 完全预混燃烧条件下低温着火时刻附近喷油的预混燃烧
• 5.3.4 在小比例喷油的条件下适当早喷的预混/直喷分层燃烧
• 5.4 本章小结
• 第六章 低温燃烧模式（LTC）燃烧机理实验和数值模拟研究
• 6.1 柴油机低温燃烧模式燃烧机理实验研究
• 6.1.1 实验装置和研究方法
• 6.1.2 氧浓度对柴油机燃烧过程影响实验研究
• 6.1.3 喷油压力对柴油机实现低温燃烧影响的实验研究
• 6.1.4 进气压力对柴油机实现低温燃烧影响的实验研究
• 6.2 柴油机低温燃烧模式燃烧机理数值模拟研究
• 6.2.1 计算中所采用的燃烧及排放模型
• （一） 燃烧子模型
• （二） 排放子模型
• 6.2.2 燃烧及排放子模型标定
• 6.2.3 氧浓度对燃烧过程影响机理数值模拟研究
• 6.2.4 喷油压力对燃烧过程影响的数值模拟研究
• 6.2.5 进气压力对燃烧过程影响的数值模拟研究
• 6.3 本章小结
• 第七章 全文总结
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢