内燃机均质压燃（HCCI）的建模和试验研究

论文摘要

均质压燃（HCCI）是均质混合气在压缩作用下的一种自燃过程,该燃烧过程有减少NOX和碳烟排放的潜力,同时又具有高的热能转换效率和好的燃料适应性。从某种角度上看,HCCI的燃烧过程集中了汽油机（SI）和柴油机（CI）的优点,像汽油机一样,它的燃料和空气通过预混形成均质混合气进入气缸,消除了柴油机因扩散燃烧而形成的碳烟,其混合气的自燃又像柴油机一样,是在压缩作用下的全局性自燃,没有火焰传播,因而消除了局部的高温,降低了NOX的排放。此外,由于它允许发动机在极低的燃空当量比和较高的EGR率下工作而不熄火,其负荷调节方式可采用无喉管的质调节方式,因而有较高的热效率和较好的燃烧稳定性。这使得HCCI成为兼有高效率和极低排放而不依赖于排气后处理系统的极有前景的一项燃烧技术。近几年来,围绕HCCI这项极具潜力的技术,研究者们作了大量的工作,许多有关混合气的制备、燃烧相位的控制、负荷范围的扩展和排放的降低等方面的技术和控制策略已经提议或发展出来,有的还已经投入了使用。本文主要研究了有关HCCI的几个关键技术方案。论文首先回顾了HCCI的发展历史和当前的研究现状,分析了HCCI目前面临的主要困难,阐述了HCCI的研究前沿和技术发展方向。本文用两种主要参考燃料正庚烷和异辛烷作为模型的燃料组分模拟了汽油和柴油这两种复杂燃料的HCCI反应机理,预测了汽油和柴油混合燃料HCCI的自燃定时,并利用详细化学反应动力学模型对氢和天然气均质压燃的反应机理进行了数值模拟。本文建立了一个九区HCCI燃烧模型,并验证了模型的正确性。将这个燃烧模型嵌入到发动机1-D循环模拟软件中实现了对HCCI发动机全工作过程的模拟。在一个单缸发动机上使用两种中等的压缩比（10.4和15）和采用进气加热以及负气门叠开两种工作模式调查了柴油燃料对汽油燃料HCCI燃烧的促进作用。本文所进行的试验研究还证实了通过燃料在线重整产生富氢的重整气是降低天然气HCCI对进气加热依赖性的一种很好的方法,因为天然气有较高的自燃温度,在通常情况下它需要较大的进气加热才能达到HCCI的工作条件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内、外的研究现状及发展趋势
• 1.3 HCCI技术的研究前沿和发展方向
• 1.4 本文的主要工作
• 2 燃料均质压燃的化学反应机理
• 2.1 HCCI燃烧过程的化学动力学
• 2.2 烃燃料的基本化学反应机理
• 2.3 汽油与柴油模型燃料的氧化反应机理
• 2.4 氢和甲烷的氧化反应机理
• 2.5 排放物的形成机理
• 2.6 反应机理的建立及有效性
• 3 HCCI 工作过程的建模
• 3.1 简单的燃烧模型
• 3.2 基于SENKIN 的HCCI 燃烧模型
• 3.3 HCCI 发动机工作过程的模拟
• 3.4 模型的验证及局限性分析
• 4 试验装置及试验方法
• 4.1 引言
• 4.2 试验装置
• 4.3 试验方法
• 5 汽油和柴油混合燃料的HCCI 燃烧
• 5.1 概述
• 5.2 试验方案
• 5.3 自燃定时和燃烧持续期
• 5.4 HCCI 工作范围的扩展
• 5.5 HCCI 燃烧的稳定性
• 5.6 废气排放
• 5.7 本章小结
• 6 氢对天然气HCCI 燃烧的促进作用及燃料重整的闭环试验
• 6.1 概述
• 6.2 负气门叠开对天然气HCCI 燃烧的影响
• 6.3 氢的添加对天然气HCCI 燃烧的影响
• 6.4 燃料重整的闭环试验
• 6.5 本章小结
• 7 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 对未来工作的展望及建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文
• 附录2 英文缩略（ABBREVIATIONS）