（工程热物理专业论文）均质充量压缩燃烧发动机燃烧模型与数值模拟研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 h c c i 发动机采用充分预混合进气方式( 类似汽油机) ，在压缩过程中燃料和空 气混合物达到着火温度自燃着火( 类似柴油机) ，同时具备了汽油机和柴油机的优 点，避免了它们的缺点，被认为是未来理想的发动机。h c c i 发动机燃烧效率高、0 ， 和碳烟排放低的潜力使其成为当前发动机研究的热点。 阻碍h c c i 发动机大规模商业应用的最主要问题之一是h c c i 发动机没有直接 的着火时刻控制策略。h c c i 燃烧的独特性使得h c c i 发动机的着火时刻控制既不能 像汽油机通过火花点火来控制，又不能像柴油机通过控制燃油喷射时刻来控制。 虽然近年来对h c c i 发动机的着火控制策略研究取得一定进展，但到目前为止还没 有一个通用的控制方式被证明是可行的。 为了寻求h c c i 发动机合适的着火及排放控制策略，本文在对h c c i 燃烧进行 详细分析的基础上，以两个专业计算软件为平台，建立了两个模拟h c c i 燃烧的计 算模型：单区模型和多区模型。 用单区模型实现了对h c c i 燃烧着火核心区的燃烧模拟。在单区模型中运用变 参数研究法对影响h c c i 燃烧的燃料种类、燃料十六烷值、辛烷值、进气温度、进 气压力、压缩比、当量比等因素进行了大量的数值计算，得出了一些h c c i 燃烧着 火时刻受上述因素影响的规律，为h c c i 发动机的优化设计和燃烧控制提供了理论 指导。 运用多区模型首先对h c c i 发动机进气过程进行了动态计算，得出了发动机在 压缩开始之前气缸内部充量的温度场分布。然后根据得到的温度场把气缸划分为 1 4 个单独计算的区域，通过对各个区域进行化学动力学计算，着重分析了h c c i 发 动机主要排放物d ，、删和c o 的生成来源和影响因素。通过和同等条件下的实 验对比证明了计算的准确性，为h c c i 发动机排放控制策略提供了理论基础。 关键词：均质充量压燃；着火时刻；单区模型：多区模型。 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eh c c ic o n c e p ti n v o l v e sp r e m i x i n gf u e la n da i rp r i o rt oi n d u c t i o ni n t ot h e c y l i n d e r ( a si sd o n ei nc u r r e n ts p a r k i g n i t i o ne n g i n e ) t h e ni g n i t i n gt h ef u e l a i fm i x t u r e t h r o u g ht h ec o m p r e s s i o np r o c e s s ( a si sd o n ei nc u r r e n td i e s e le n g i n e s ) t h eh c c i e n g i n eh a sb e c o m eas u b j e c to fg r e a ti n t e r e s tt oe n g i n er e s e a r c h e r sa n di sb e i n g c o n s i d e r e da sa na l t e m a t i v et oc u r r e n te n g i n e sf o ri t sp o t e n t i a lt oa r c h i v eh i g he f f i c i e n c y a n dl o we m i s s i o n so fn o xa n dp a r t i c u l a t em a t t e r ( p m ) c u r r e n t l y ，o n eo f t h em o s ts i g n i f i c a n tt e c h n i c a lb a r r i e r sw h i c hp r e v e n tw i d e s p r e a d c o m m e r c i a l i z a t i o no ft h eh c c it e c h n o l o g yi st h a tt h e r ei sn od i r e c tc o n t r o l l i n gs t r a t e g y o fh c c ic o m b u s t i o nt i m i n g ，n e i t h e ri n d i r e c t l yb yf u e li n j e c t i o ni nd i e s e le n g i n e ，n o r d i r e c t l yb yt h es p a r ka si nas p a r k i g n i t i o ne n g i n e t h er e c e n ti n v e s t i g a t i o n si n t ot h e c o n t r o l l i n go fh c c ic o m b u s t i o nt i m i n ga p p e a rp r o m i s i n g ，y e tt h e r ei s n ta n yt e c h n i q u e d e m o n s t r a t e df e a s i b l et oa l lh c c ie n g i n e s t oe x p l o r et h ew a ya n dm e a n si nc o n t r o l l i n gt h ei g n i t i o nt i m i n go fh c c e n g i n e ， s o m ei n t e n s i v er e s e a r c hh a sb e e nm a d et of i n dt h em e c h a n i s mo fh c c ic o m b u s t i o ni n t h i sd i s s e r t a t i o n a n dw i t ht h eh e l po ft w oc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ( c f d ) s o t t w a r e st h ea u t h o rh a sd e v e l o p e das i n g l e - z o n ea n dam u l t i - z o n en u m e r i c a lm o d e lt o s i m u l a t et h ec o m b u s t i o na n de m i s s i o n so fah c c ie n g i n e t h es i n g l e z o n em o d e lw a su s e dt os i m u l a t et h ec o m b u s t i o no ft h ec o r em i x t u r e w h i c hh a st h eh o t t e s tt e m p e r a t u r ei nt h ec y l i n d e r i na ne f f o r tt of i n dt h em e c h a n i s mo f t h eh c c ic o m b u s t i o nf o ro p t i m i z a t i o no f h c c ie n g i n e ，t h ei n f l u e n c eo f o c t a n en u m b e r a n dc e t a n en u m b e ro ft h ef u e l s ，t h e e q u i v a l e n c er a t i o ，i n i t i a lp r e s s u r e ，a n d i n i t i a l t e m p e r a t u r eo ft h em i x t u r ea n dt h ec o m p r e s s i o nr a t i oo ft h ee n g i n eo nt h eh c c i c o m b u s t i o nt i m i n gw e r ee v a l u a t e d t h ed y n a m i cp r o c e s so f t h em i x t u r ei n d u c t i o no f ah c c ie n g i n ew a ss i m u l a t e db y am u l t i - z o n em o d e l ，a n di nt h ee n do ft h ei n d u c t i o nw es u c c e s s f u l l yg a i n e dt h e t e m p e r a t u r ef i e l di nt h ec y l i n d e ro ft h em i x t u r e t h em i x t u r ei nt h ec y l i n d e rw a st h e n d i v i d e di n t o1 4z o n e sf o rc h e m i c a lk i n e t i cr e a c t i o ns i m u l a t i o n d u r i n gt h el a t e r s i m u l a t i o nw ea c h i e v e ds o u r c eo ft h ee m i s s i o n so fn o , 、h ca n dc oi nh c c i e n g i n e t h ev e r a c 时o fs i m u l a t i o nr e s u l t sh a v eb e e nv a l i d a t e db yt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t so nt h es a m ec o n d i t i o n ，s oi tc o u l db e c o n s i d e r e da sa c a d e m i cg u i d a n c ef o r e m i s s i o nc o n t r o l l i n gt r a g e d yo fh c c i e n g i n e s k e yw o r d s ：h c c ic o m b u s t i o n ；i g n i t i o nt i m i n g ；s i n g l e z o n em o d e l ；m u l t i - z o n em o d e l i i 江苏大学硕士学位论文 前言 内燃机是汽车、拖拉机、船舶等运输设备的发动机，为工农业生产和交通运 输中最广泛的动力机械。据统计，内燃机所消耗的能量占世界石油总消耗量的6 0 。同时，它也是人类最大的环境污染来源之一，它所排放的废气约占工业废气 的5 0 左右。从节能和环保角度出发，人们对发动机的要求越来越高，既要动力 性能好，又要燃料消耗少，还应该符合日益严格的排放要求。影响发动机的动力 性能和燃烧排放的因素非常多，其工作循环中的每个过程都可能对它的功率输出 和废气排放产生重要的影响。 传统的发动机设计方法一般有基于宏观概念的经验外推、在实验台架上反复 调试对比、各种集总参数的半经验分析等。这些设计方法往往周期长，花费大， 适应面窄，而且经常设计效果不明显。近年来，计算机技术的发展给众多领域的 研究带来很大方便，发动机设计也不例外。尤其是计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ，c f d ) 的发展为发动机的优化设计提供了一个有效的平台。 c f d 发动机数值模拟不同于理论流体力学，它不是单纯的理论分析，而是更 加接近于试验研究。在对发动机进行数值模拟过程中，往往依靠一些简单的、而 与原问题相关的严格数学分析，采用边试边改的方法，然后与典型实验进行对比， 可以说是来源于实践，同时又服务于实践。在计算机上进行特定的数值模拟，如 果模拟过程的数学模型以及求解过程的处理合乎要求的话，可以看作是近似于实 验研究。事实上，用数值模拟计算来发现物理现象已经被证明是可能的，例如 c a m p b e l l 和m u e l l e r 早在1 9 6 8 年就在数值实验中发现了亚音速斜坡引起的分离现 象【l j ，以后在他们的风洞实验中就得到了证实。在国外甚至已有人利用三维数值模 拟获得了高湍流活塞设计专利。 数值模拟相对于实验研究有很多有利条件，在模拟研究中可以对模拟参数如 密度、粘度、温度等自如控制，可以任意选取边界条件，这在实验研究中是很难 完全做到的。正是数值模拟在许多方面的优越性使得在众多发达国家以及包括中 国在内的发展中国家形成了一支庞大的数值模拟研究队伍。发动机数值模拟研究 正在对发动机的优化设计起着非常重要、甚至是不可替代的作用。而发动机的燃 烧过程决定着发动机的动力输出和污染物排放，因此，对发动机的燃烧过程开展 数值模拟工作，不仅意义重大，而且十分必要。 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1当前发动机的缺点和h c c i 发动机的提出 1 1 1 汽油机和柴油机的工作过程 当前车船用内燃机按其工作方式的不同通常可以划分为两种，即汽油机和柴 油机。汽油机在1 8 6 7 年由n a o t t o 发明，而柴油机则是在1 8 9 2 年由r u d o l f d i e s e l 发明，这两种内燃机工作时所遵循的热力循环以其发明人的名字分别命名为奥托 循环和狄塞尔循环。这两种内燃机各有优点，在各自的领域内发挥着自己的作用。 汽油机和柴油机每个工作循环都分为四个过程：进气过程、压缩过程、做功 过程和排气过程。而按照内燃机完成一个工作循环所需要的行程，可以把内燃机 分为四冲程内燃机和二冲程内燃机。四冲程内燃机中活塞每做四个行程完成一个 工作循环，相应的，活塞每做两个行程完成一个工作循环的内燃机，就称为二冲 程内燃机。 在汽油机的进气过程中进入气缸的工质为空气和汽油的混合物，而在柴油机 中进入气缸的则为新鲜空气。由于在进入气缸之前汽油机的燃油和空气已经混合 好，因此汽油机的燃烧被称为预混合燃烧。而柴油机进气过程中进去气缸的为新 鲜空气，燃油是在压缩过程之后再直接喷入气缸，因此柴油机的燃烧为直接喷射 燃烧。 在压缩过程中反应工质最终压缩状态的参数是压缩比，提高压缩比可以提高 内燃机的热效率。汽油机的压缩比较柴油机要小，这是因为过高的压缩比可能会 使汽油机产生爆震燃烧、表面点火等不正常燃烧现象【2 ，而柴油机的压缩比则可以 比较大，但是会造成柴油机的结构复杂，重量增加，汽油机的压缩比一般为6 l o 5 ， 而柴油机的压缩比一般为1 4 2 2 。 在做功过程中，燃料在活塞处于上止点附近燃烧。汽油机是通过火花塞点燃 可燃混合气实现着火，而柴油机的燃油在上止点前通过喷油器喷入气缸。在柴油 机中，压缩终点的温度大大超过柴油自燃温度。在极短的时间内，燃油与空气混 合后自行发火燃烧。根据汽油机和柴油机燃料空气混合气燃烧时着火方式的不同， 我们又把它们分别称为火花点火燃烧和压缩自燃着火燃烧， 2 江苏大学硕士学位论文 1 1 2 汽油机燃烧特点和不足 ( 1 ) 汽油机着火过程 由上面对两种内燃机工作过程的简单分析我们可以看出，汽油机的燃烧是一 种典型的预混合燃烧。根据t a b a c z y n s k irj 的对汽油机燃烧过程的研究3 1 ，可以把 在燃烧室内的燃烧分为四个阶段，即点火和火核形成阶段、火焰发展阶段、火焰 充分发展传播阶段和最后阶段。 汽油机的点火和火核形成阶段是指电火花点火及其之后的一个很小的时间 段。在常规汽油机中，由于一般不组织有规则的缸内气流运动，火花塞间隙处的 各向同性均匀混合气的平均流速接近于零，此时若在火花塞间隙处存在着处于着 火界限内的混合气，电火花给予的能量又超过临界着火能量，就形成着火核心， 并以层流火焰速度向外传播。当地的湍流强度和湍流尺度就将影响火焰的传播方 向。此时火焰前锋近似球形，而点火诱导出的压力波、温度等与燃烧室的形状无 关，主要受气流特性参数和点火特性参数的影响。 过渡阶段的火焰传播已与点火条件无关，但对周围环境的气流条件非常敏感， 火焰速度大于层流火焰速度，火焰前锋面积增加，这时，具有光滑表面的火焰核 心，已变成高度皱褶和回卷状的火焰前锋，这是由平均气流的剪切作用以及未燃 混合气的气流参数( 湍流强度和湍流尺度) 决定的。此时火焰结构( 火焰结构是 指可燃气和未燃气以及很薄的一层反应区之间的组合结构，它们在空间上的不规 则分布和随时间的变化) 已经十分复杂。 在湍流传播阶段，火焰结构仍然十分复杂，火焰速度增加，而燃烧速率达到 某一稳定状态，在此阶段燃烧完大部分充量。在火焰到达壁面后，火焰传播停止， 进入结束阶段。 ( 2 ) 汽油机的循环变动 燃烧循环变动是汽油机燃烧过程的一大特征，具体表现未在每个循环中，压 力曲线、火焰传播情况以及发动机功率输出均不相同。表征循环变动的参数很多， 从压力参数出发，可以定义出度量燃烧循环变动的一个重要参数，即平均指示压 力变动系数( c o e f f i c i e n to f v a r i a f i o n ) 。：粤x 1 0 0 ：孚1 0 0 江苏大学硕士学位论文 式中仃。平均指示压力的标准差叩。； 拥印平均指示压力的平均值蟊； 驴磊1 蔷r a 川 叩，= 去姜，一曩，2 p 。为，循环的平均指示压力( m p a ) ，脚为循环数。 循环变动会导致较高的排气污染和平均指示压力以及输出扭矩的变动，使车 辆的操纵性能恶化。n i s s a n 公司的研究表明【3 1 ，若用c o 。来表示燃烧稳定性和 评价车辆操纵性的话，一般认为此值超过1 0 ，会导致车辆性能的恶化。 导致汽油机燃烧的循环变动的原因很多，主要有两个方面： 1 ) 燃烧过程中气缸内气体运动状况的循环变动。在没有强烈进气涡流的场合， 压缩终点附近气缸内气流的湍流强度值可达到和活塞平均速度能比较的大小，甚 至比平均气流速度还大，由于湍流强度也是作循环变动的因此在压缩终点火花塞 附近和整个气缸内的气流场是作循环变动的。火花点火后形成的火焰中心的轨迹 以及火焰的起始成长速率均随气流速度的大小和方向改交，同样其后的火焰向整 个燃烧室发展的进程，如火焰与壁面的关系，火焰前锋面积的变化以及燃烧率等 也将受到气流变化的影响。 2 ) 每循环气缸内的混合气成分( 特别是在点火瞬间火花塞附近的) ，由于空 气、燃料、e g r 和残余废气之间混合情况变动而造成的燃烧变动。由于发动机高 速运行。空气、燃料、e g r 和残余废气不可能获得充分的混合，在燃烧开始时气 缸内必然存在混合气组成上的不均匀，在火花塞电极间隙附近混合气成分的循环 变动，会影响早期火焰的发展，特别是影响火焰从层流燃烧阶段到形成稳定火核 的过程。 综合上面的两个原因，我们可以这样认为，汽油机的循环变动是由汽油机自 身特点决定的( 火花点火燃烧) ，不能消除，而且减小的潜力也不大。另外，受爆 震燃烧的限制，汽油机的压缩比不能太高，这影响了汽油机的热效率和输出功率 范围，在对更低的能源消耗和更高的动力输出的热力机械日益渴求的今天，汽油 机的这个不足就显得格外的突出。 4 江苏大学硕士学位论文 1 1 3 柴油机的特点与不足 由于柴油机的燃料一般为液体燃料，能够承受的压缩比较汽油机高，因此相 对汽油机在燃烧效率和动力输出上具有相当的比较优势。但是柴油机也有个很明 显的不足，就是n o x 和碳烟微粒上的排放比汽油机高，这是目前为止柴油机在轿 车上应用较少的直接原因。下面两个表格分别是美国在不同时间对汽油机车和柴 油机车排放的限制标准，从这两个表中我们或许可以看出两者在排放上面的优劣。 表l 一1 美国联邦对轻型汽油车排气标准的限制h ( 单位：g m i l e ，l g m i l e = 0 6 2 1 9 k i n ) 年份c 0 n o x h c 1 9 6 0 8 4 0 4 1 1 0 6 1 9 6 8 1 9 7 1 3 4 0 4 1 1 9 7 2 1 9 7 4 2 8 03 1 3 o 1 9 7 51 9 7 6 1 5 ，o 3 1 l ，5 1 9 7 7 1 9 7 9 1 5 0 2 0 1 5 1 9 8 0 7 02 0 1 5 1 9 8 l 1 9 8 2 34 1 0 0 4 1 1 9 8 2 1 9 9 3 3 4 1 0 o ，4 l 3 1 1 。 0 4 0 2 5 1 9 9 4 1 9 9 6 1 70 2 0 1 2 5 2 0 0 4 2 0 0 6 衰1 - 2 美国环境保护属( e p a ) 对重载柴油机排放的限制4 1 ( 单位： g ( h p ) ，l g ，( h p 五) = 1 3 6 9 ( k g r 动) 年份c 0 h c + n o 碳烟微粒 1 9 7 44 01 6 烟度 5 1 9 7 92 5烟度 月c n o 1 9 8 31 5 51 31 0 7烟度 1 9 8 81 5 5 1 3 6 0 0 6 1 9 9 11 5 51 35 00 2 5 1 9 9 31 5 51 35 00 ，1 1 9 9 41 5 5 1 3 5 0 0 1 1 9 9 81 5 54 04 00 0 5 江苏大学硕士学位论文 汽油机排放限制迟后6 年，这也从侧面反应了降低柴油机n o x 和碳烟排放的 难度。 1 1 4 h c c i 发动机提出的意义 从上述论述中可以看出汽油机的优点是功率质量比较高，但由于气缸内部的 气流速度的变动、空燃比的变动以及空气、燃料、废气混合情况的变动，造成汽 油机循环变动较大。另外，汽油机的排放特别是a r c 和c o 的排放性能也不好，虽 然通过加入三元催化剂可以有效改善其排放性能，但存在提高辛烷值的困难，还 会造成更多的c 0 2 排放。而柴油机的燃油消耗率较低，可以承受较大的输出功率， 燃烧过程相对汽油机来说也较为乎稳，但其n o ，及碳烟排放较高。因此，在排放 要求日益严格的今天，怎样降低发动机燃烧的排放，同时又不牺牲发动机的热效 率，是摆在众多内燃机研究者面前的现实难题。对于汽油机来说，其自身结构的 限制导致压缩比不能太高，这就制约了其燃烧热效率的提高：丽对于柴油桃来说， 由于n o x 和碳烟的排放是成反比趋势的，也就是说，这两种污染物的排放不容易 同时降低 4 】。 h c c i 发动机是在对内燃机的燃烧效率和排放要求日益提高的条件下提出来的 一种新型发动机。h c c i 发动机全称为h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n e n g i n e ( 均质充量压缩着火燃烧发动机) ，是一种从优化燃烧的角度来降低n o x 和 碳烟排放的新燃烧理论与技术。其燃烧模式是在进气及压缩过程形成均质混合气， 当活塞压缩到上止点附近时，均质混合气自燃着火。也就是说，h c c i 发动机是采 用汽油机的进气方式，采用柴油机的点火方式，因此，h c c i 发动机可以同时综合 汽油机和和柴油机的优点，同时避免它们的缺陷，即h c c i 燃烧可以同时实现降低 排放和达到高热效率的目的，这与传统控制排放方法相比，实现了很大进步。 1 ，2h c cj 发动机的特点 h c c i 发动机燃烧为稀薄燃烧，采用均质压缩多点着火，实验研究结果表明， 与传统发动机相比，目前h c c i 主要具有以下几个特点： ( 1 ) 超低的氮氧化物和碳烟排放 造成传统柴油机n o ，和碳烟排放较高的原因主要是传统柴油机燃烧存在两个 江苏大学硕士学位论交 高温区，即在火焰前锋高温区容易产生n o x 排放，在火焰内部高温区由于缺氧容 易产生碳烟排放。而h c c i 发动机为稀薄燃烧，所以不存在缺氧情况，因而可有效 降低碳烟排放；同时，h c c i 发动机燃烧为预混合均质压缩点火燃烧，即燃烧室内 部混合气为均质混合气，在活塞压缩作用下燃烧室内多点同时着火，减少了火焰 传播距离和燃烧持续期，避免了高温区的产生，可大大减少n o x 排放。众多研究 者通过实验确认，h c c i 发动机在部分工况下燃烧的n o x 排放相对柴油机可降低 9 5 9 8 1 5 【s 1 。 ( 2 ) 燃烧热效率高 由于h c c i 发动机采用压缩自燃，因而可以大大提高压缩比，从而提高其燃烧效 率。另外，压缩点火方式避免了汽油机的节流损失，其热效率与汽油机相比更显 优势。c h r i s t e n s e n 在1 9 9 7 年曾用汽油作为燃料分别在h c c i 发动机上( 压缩比为2 l ： 1 ) 和汽油机上( 压缩比为1 2 ：1 ) 做实验，结果表明，h c c i 发动机的热效率比火 花点火发动机要高2 3 ，甚至超过了直喷式柴油机【7 卜【9 】。 ( 3 ) h c c i 燃烧过程主要受燃烧化学动力学控制 h c c i 燃烧只与燃油本身的物理化学性质有关，受燃烧室内流动影响较少，这 是目前为止大多数研究者都认同的观点，并得到了相当多试验的证明旧 8 】+ 9 】 【埘， 但这一问题目前还存在一些争议。如k o n g 在2 0 0 1 年运用k i v a 一3 v 软件来模拟h c c i 燃烧，得出的结论是在燃烧中必须把湍流因素考虑到化学反应速率的计算当中去 口3 1 。这看起来跟a c e v e s 等人大量文章中提出的观点相矛盾，a c e v e s 认为在h c c i 燃烧化学反应速率计算时可以忽略湍流的影响【1 6 】【1 9 】，并且大量的试验数据也证明 了a c e v e s 的结论。究其原因，有可能是k o n g 的研究有些缺陷。k o n g 的研究采用 了简化化学动力学，虽然k o n g 等人在研究燃烧过程时运用了完全动力学机理来确 定反应的时间常数，但他们假设所有的化学反应都具有相同的化学动力学时间常 数。实际上时间常数与燃料转化率有关。由于着火过程对各种组分的变化非常敏 感，因此上述假设很可能忽略了许多关键的燃烧细节。为了和试验数据相吻合， 他们在试验数据上采用了一个经验的修正参数来调整化学时间尺度，他们认为这 个参数与湍流尺度相关，而实际上这个修正系数应代表他们所忽略的一些化学反 应速率的影响，而不是湍流的影响。当然，这其中的具体机理还有待迸一步考证。 ( 4 ) h c c i 发动机运行范围较窄 7 江苏大学硕士学位论文 到目前为止的研究表明，h c c i 发动机可以使用多种燃料( 汽油、柴油、天然 气、二甲醚、氢气、乙醇等) ，在一定工况下可以实现稳定运行，得到较好的运行 和排放效果，但燃烧受到失火( 混合气过稀) 和爆燃( 混合气过浓) 的限制，发 动机运行范围比较窄。对于高十六烷值燃料，由于h c c i 发动机燃烧非常迅速，在 高负荷工况下( 混合气浓度大) 易发生爆震；对于高辛烷值的燃料，由于h c c i 燃 烧为稀薄燃烧，发动机在小负荷工况下容易熄火。 ( 5 ) h c c i 发动机h c 、c o 排放较高 虽然h c c i 发动机的研究在降低n o x 和碳烟排放方面取得了很大的进展，但相 对普通的柴油机，h c c i 发动机的h c 和v o 排放稍高，这主要是由于h c c i 燃烧通 常采用较稀的混合气和较强的e g r ，缸内温度比较低造成的。 1 3h c c i 的研究进展 h c c i 最早在1 9 7 9 年作为第三种燃烧概念由o n i s h 提出 1 0 】，当时o n i s h i 等人 在一个二行程发动机上进行了一系列的原始实验，随后他们的工作由n o g u c h i 等 人完成。n o g u c h i 等人运用纹影摄像技术在一个二冲程、对置活塞发动机上进行一 系列实验后发现，h c c i 发动机燃烧过程非常均匀，而且碳烟和n o x 排放也比较低。 1 9 8 3 年，n a j t 和f o s t e r 首先在四冲程发动机上迸行了h c c i 实验( 1 “。t h r i n g 在 1 9 8 9 年指出可以使用两种燃烧方式，即在低负荷下用h c c i 燃烧方式，而在高负荷 下用火花点火燃烧方式1 2 。随后研究人员用甲醇、天然气、氢气、汽油、柴油进 行了许多研究，范围从二冲程发动机到四冲程发动机洲1 0 】 1 1 】。 但在1 9 世纪8 0 年代中期到9 0 年代初期，h c c i 的研究缓慢下来了，这主要是 由于h c c i 燃烧功率低，而且不容易控制燃烧过程。到了9 0 年代中期，h c c i 燃烧 技术研究又开始加强，这主要是得益于电子和计算机控制技术的发展，以及越来 越严格的排放法规也迫使人们对h c c i 燃烧技术进行更深入的研究。 基于h c c i 燃烧技术的巨大潜力，国内内燃机相关研究人员自近年来也开展了 这方面的研究。由于起步比较晚，研究水平与国外尚有较大差距。 1 4h c c i 发动机目前存在主要问题 关于h c c i 发动机的研究绝大多数还是停留在理论研究方面，离真正实现商业 江苏大学硕士学位论文 化h c c i 发动机还有较大距离。虽然h o n d a 公司、i p f 公司、丰田公司等公司相继 宣布开发出了采用h c c i 技术的发动机，但从已有的几款发动机来看，都是二行程， 且运行范围有限，还远远没有发挥出h c c i 燃烧技术的潜力。h c c i 发动机迟迟不能 实现实际运用，主要是受h c c i 燃烧的两个关键问题所困： 一是h c c i 燃烧着火时刻不易控制。因为h c c i 发动机的着火时刻既不可以象 柴油机那样直接通过燃油的喷射来控制，又不可以通过汽油机的火花点火来控制。 第二，放热速率难以控制在柴油机中是通过燃油喷射速率来控制的，而在汽 油机中是通过控制紊流火焰的传播来控制的。而在h c c i 发动机中几乎是定容燃烧， 放热速率非常快，造成了高的机械压力。 为了解决以上两个难题，相关研究人员进行了大量的研究，取得了一些成果 i n 1 1 16 】 2 ”。研究人员主要从不同燃料的反应机理和化学动力学模型方面进行研 究。 1 5 本文的研究目的和研究方法 限制h c c i 发动机现实运用的关键技术难题是h c c i 发动机的着火点时刻以及 燃烧放热速率不容易控制。在h c c i 技术还未成熟之前，数值模拟方法显示出很大 的作用。运用数学方法建立适合燃烧室的反应模型，结合各燃料的化学反应机理， 就有可能准确的预测h c c i 发动机的着火时刻和燃烧放热率。而一旦建立的反应模 型计算结果被证明和实验相吻合，那么就可以很方便的运用各种变参数方法来优 化h c c i 发动机的结构、燃烧方案等，来达到控制h c c i 发动机燃烧着火时刻以及 放热速率。 本文就是尝试着在结合详细的化学反应动力学机理基础上，综合运用 c h e m k i n 、s t a r - c d 专业软件，建立些适合h c c i 发动机使用的反应模型，以准确 模拟h c c i 发动机的燃烧情况。然后运用变参数方法来比较得出控制h c c i 发动机 燃烧着火时刻以及放热率的最佳方案。 江苏大学硕士学位论文 第二章i t c c i 燃烧数学模型的建立 2 一h c c l 燃烧模型回顾 近年来，为了深入对h c c i 着火和燃烧现象的机理的理解，发展了很多不同算 法的模型。理论上讲，在h c c i 发动机燃烧过程中和常规发动机一样，气缸内的各 种参数( 温度、压力、工质浓度等) 是随着空间和时间的变化而瞬时变化的。因 此，要对h c c i 发动机进行准确模拟的模型应该是具有时间和空间四个变量的。但 是h c c i 发动机本身和常规发动机是不一样的，其最大的独特之处就是进气是均匀 的，因此具体到模拟h c c i 发动机的某些参数的时候可以利用这个均匀性进行一些 简化假设，以减小模型的复杂性。总的来看，按照时间和空间变量的多少，h c c i 模型可以分为四类模型：零维模型、准维模型、多维模型、耦合化学动力学的c f d 模型。 2 1 1 零维模型 零维模型是h c c i 模型中最简单的模型。在这个类型的模型中假设流体的运动 对燃烧过程没有影响。在大多数这种模型的研究中，都耦合了详细的化学动力学 到模型中。由于在零维模型中假定气缸内工质均匀分布，各种热力学参数和物性 参数处处相等，即随时处于热力学平衡状态，因此零维模型又称为热力学模型。 零维模型对于预测h c c i 发动机的着火时刻准确性得到了众多实验的验证【7 0 6 2 5 1 口6 1 。但是由于这种模型的前提假设就是发动机的燃烧室内工质均匀，而且没有考 虑气缸与外界的热量交换问题，所以对于受燃烧室内不均匀工质所引起的参数的 预测不够准确，例如对于不完全燃烧的排放的预测准确性不高。 2 1 2 准维模型 为了考虑发动机在燃烧过程中和外界的热量交换问题，研究人员在零维模型 的基础上发展起来了准维模型。准维模型中把燃烧室分为几个区域，包括缝隙区 和边界层区域。准维模型中具有代表性的是2 0 0 2 年由o g i n k 和g o l o v i t v h e v 提出 的一个燃烧模型 拥。在这个燃烧模型中，把燃烧室分为几个核心区、一个体积 定的缝隙区和一个厚度一定的边界层。在这个准维的模型中，利用一个气体动力 0 江苏大学硕士学位论文 学模拟计算程序来计算在压缩开始时气缸内部的循环利用的废气的占总气体的比 例和各个区域的初始平均温度。这个模型的不足地方在于他们对于缸内温度的分 布用的根据实验条件得出的经验分布。f i v e l a n d 和a s s a n i s 在2 0 0 2 年也提出了一个 准维模型 i9 。他们这个模型中包括一个绝热核心区，一个热边界层区和几个缝隙 区。其中热边界层区的厚度和缝隙区的体积在工作循环中是可变的。换气过程用 一个准态的一维流动方程处理。在这个模型中他们用到了一个假设，就是气缸中 的新鲜充量是和循环废气完全混合的，因此这个模型没有考虑到新鲜充量和循环 废气不完全混合的影响。另外，这个模型不适合柴油机燃烧的计算。 2 1 3 多维模型 准维模型的出现就是为了处理h c c i 发动机气缸燃烧时与外界的热量交换，同 时在一定程度上考虑了温度的不均匀性，相对零维模型来说对于受充量不均匀性 影响的参数的计算精度更好。准维模型说到底是几个零维模型的综合，各个计算 区域就是相应的各个零维模型。由于在实际发动机中气缸内部充量是相互混合、 相互影响的。因此各个计算区域之间的相互影响问题的处理就决定了准维模型的 计算精度。另外，准维模型和零维模型一样，忽略了气体运动，从而无法描述和 模拟一系列可能对h c c i 发动机燃烧起重要作用的现象和机理。例如，在h c c i 发动机运行过程中，湍流作用是不是如通常所说的那样可以忽略不计，在实际燃 烧过程中有没有火焰传播的现象等等。解决这些问题，只有对准维模型加以改进 和发展，于是多维模型产生了。多维模型是考虑到缸内过程物理和化学二维或三 维空间分布的一种模型。和零维模型及准维模型不一样的是，这些模型都是基于 守恒定律，从质量交换、热交换、动量传递、气体力学和化学反应动力学等方面 建立描述发动机燃烧过程的偏微分方程组的。然后根据不同需要设置适当的边界 条件，用数值方法求解。在模拟计算过程中能够计算出每时间步长下的温度、压 力、成分以及排放物等描述燃烧现象的空间分布情况，是一种较为精确的模型。 1 9 9 8 年，a g a r w a l 和a s s a n i s 提出了一个用以模拟计算天然气h c c i 燃烧着火 的多维反应模型 2 8 2 9 1 。这个模型以反应流动模块k i v a 3 为基础，加入了包括2 2 种组分和1 0 4 个基元反应的化学动力学机理。模型结果展示了在一个非涡流燃烧 室内类似柴油喷射条件下的天然气的自燃着火现象。2 0 0 1 年k o n g 提出了一个计 算流体湍流现象对于h c c i 发动机着火影响的模型 2 3 】。在这个模型里同时考虑了 江苏大学硕士学位论文 湍流尺度和化学反应当量尺度对h c c i 着火的影响。其中，湍流时间尺度定义为液 滴破碎的时间，而化学动力学时间尺度定义为在预混合条件下组分达到化学平衡 所需要的时间。在这个反应模型里用到了两个简化假设：( 1 ) 在达到平衡的时候 燃料的浓度为零；( 2 ) 所有组分的化学动力学时间尺度都相等。 在2 0 0 2 年，h o n g 等人提出了一个对计算要求更高的多维模型 3 0 】，这个模型 可以同时计算详细化学反应和充量不同成分之间的混合过程对着火延迟期的影 响。在这个模型中，用了一个修正的液滴耗散概念( e d c ) 来表示反应的速率， 这个反应速率同时考虑了化学反应速率和组分混合速率的影响。还加入了一个过 渡模型来预测计算在只有化学反应区域和同时有化学反应和组分混合反应的标 志，以分别计算它们的着火现象。 多维模型以研究对象的物理性质为出发点，用基本的守恒定律建立微分方程， 以详细的化学反应动力学机理描述从压缩开始的h c c i 发动机气缸内发生的反应， 是一种精确性高的理想模型。但是，多维模型的一个最大特点就是对于计算要求 非常高，这制约了它们的实际应用。b u t l e r 指出【3 1 ，二维模型一般需要c p u 时间 为l 4 小时，而c o m m i n s 的三维模型在亿次计算机上耗c p u 时间为6 1 分钟，如 此巨大的计算消耗对于当前大多数研究者来说是承受不起的。另外，对于多维模 型计算结果的检验工作量也很大。为了更好的验证模型计算结果的正确性，有必 要获得同模拟计算同等数量的实验测试数据，这也提高了对测试技术的要求。虽 然h c c i 发动机多维模型计算模拟对于计算要求以及测试要求非常高，但它们综合 了热力学、流体力学、传热学、传质学、化学反应动力学和燃烧学等多门学科知 识，在当前最大可能地反应了h c c i 发动机内部燃烧的真实情况，是h c c i 发动机 数值模拟的发展方向，也是建立简化模型的指导基础。同时，多维数值模型的研 究也在一定程度上刺激了与之相关学科的发展，是理想的燃烧模型。 2 1 4 结合c f d 技术的多区模型 多维模型是模拟计算h c c i 发动机缸内燃烧的理想模型，但是在当前由于实际 条件的制约，应用还是非常有限。为了既尽可能的保持多维模型的计算精度，又 减少巨大的计算要求，在近年来h c c i 发动机研究人员提出了一种折中的计算模 型，就是结合c f d 技术的多区计算模型，本文中多区模型的建模思想就是来源这 种模型。 1 2 江苏大学硕士学位论文 2 0 0 1 年，a c e v e s 等人提出了一个独立式多区模型计算方法 1 7 口2 1 。这个模型同 时考虑了湍流混合过程和化学反应过程对h c c i 发动机着火和放热的影响。在模型 中，用c f d 模块k i v a - 3 v 来计算湍流过程，用多区化学动力学求解器来计算化学 反应。在整个h c c i 发动机工作过程中，k i v a - 3 v 用于计算发动机从进气阀关闭 到上止点前某一时刻的充量反应过程。然后取这个时刻的温度图和压力图作为分 区计算的标准，把燃烧室划分为若干个区域( 1 0 1 0 0 个) ，为下面的计算做准备。 各个区域划分好了之后，就用化学动力学程序包对这些小区域的燃烧过程分别进 行求解。可以看出，这种模型与多维模型不同之处就在于它把湍流混合过程和燃 烧化学反应过程分开来求解，避免了多维模型中众多网格单元所需要消耗的巨大 计算量，节约了计算时间和成本。这个结合c f d 流体计算的多区模型成功的计算 出了h c c i 发动机燃烧过程中的一些参数，例如最高压力、燃烧持续期、c o ，等， 但是对于c o 排放的计算预测与实验对比不是在一个数量级上。 结合c f d 技术的多区模型的有一个重要的缺陷，就是当燃烧化学反应计算开 始之后c f d 模块的详细计算信息就失去了作用，也就是说在分区之后各个区域之 间是没有相互作用的。这个缺陷注定了对于一些燃烧时可能受流动影响的参数的 计算模拟会不准确。 从上述对h c c i 数值计算模拟模型的描述来看，各种模型都有自己的特点和适 用之处。零维模型计算消耗最小，模型条件也最简单，可以用来计算h c c i 发动机 气缸内部着火核心区的燃烧情况；准维模型在零维模型的基础上考虑了边界条件 和发动机气缸与外部的换热问题，较之零维模型对于放热率等方面的计算计算精 度更高；多维模型是以实际发动机的物理性质为建立方程的出发点，在h c c i 发动 机工作过程中始终考虑湍流流动和化学反应动力学对反应过程的影响，是一种理 想的计算模型，但是计算消耗太大；而结合c f d 技术的多区模型无论从模型复杂 性还是计算结果的准确性来说都是一个可以接受的计算模型。这种模型要注意的 地方就是对于进入化学反应阶段的各个区域之间的相互作用关系要处理好，这种 处理既可以是各种假设，也可以根据热力学定律来简化计算。 2 1 5 本次课题数值模型 限制h c c i 大规模商业应用的主要问题是h c c i 燃烧不容易实现着火时刻和放 热率的控制。在当前对h c c i 燃烧机理认识还不是很成熟的今天，应用数值模拟计 江苏大学硕士学位论文 算来对h c c i 发动机的燃烧进行各种预测可队为h c c i 发动机的设计提供理论指 导。本课题在借助两种专业计算软件的基础上，以w o s c h n i 公式为建立传热模型 基础陋1 ，提出了模拟计