均质充量压缩燃烧数值模拟的研究动态

1、第35卷第4期2007年8月浙江工业大学学报J OURNAL OF ZH E J IAN G UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GY收稿日期:2006210218作者简介:孟彬(1979,男,浙江宁波人,硕士,研究方向为新型车用能源.均质充量压缩燃烧数值模拟的研究动态孟彬,佘翊妮(浙江工业大学,机械制造及自动化教育部重点实验室,浙江杭州310032摘要:与传统的汽油机和柴油机相比,均质充量压缩燃烧(HCCI 方式由于其高热效率和低排放等突出的优越性已成为国际上的研究热点,数学模拟在其中发挥着日益重要的作用.因此,对近年来HCCI 燃烧数值模拟研究的进展按单区模型、多区模型和多

2、维CFD 模型分别做了全面评述和讨论.前二者在HCCI 总体燃烧特性预测与分析方面已取得了显著的成绩;而CFD 与详细化学动力学耦合模型由于计算机资源的限制,目前尚处于发展初期.最后,对该领域存在的问题进行了讨论,对今后重点研究方向提出了建议.关键词:均质充量压缩燃烧(HCCI ;发动机;模拟中图分类号:T K40文献标识码:A文章编号:100624303(20070420375206R esearch on numerical simulation of homogeneous chargecompression ignition (HCCIcombustionM EN G Bin ,SH

3、E Y i 2ni(The MOE K ey Laboratory of Mechanical Manufacture and Automation ,Zhejiang University of T echnology ,Hangzhou 310032,China Abstract :Comparing to t he t raditional SI and CI engines ,Homogenous Charge Comp ression Igni 2tion (HCCI has great advantages such as high heat efficiency and low

4、emission.It has become an international research focus in recent years ,in which t he mat hematical model and simulation tech 2nology plays an important role.In t his paper ,t he research work of HCCI combustion model and simulation are discussed on single zone ,multi 2zo ne and 3D CFD models.The fo

5、rmer two of t he HCCI combustion characteristics of t he overall forecast and analysis has made notable achieve 2ment s ;and CFD wit h detailed chemical kinetics coupling model comp uter reso urce co nstraint s ,are still at t he early stages of develop ment.Finally t he existing problems and diffic

6、ulties in HCCI combustion modeling and simulation are pointed out and t he focus of f ut ure research directions are suggested.K ey w ords :HCCI ;engine ;simulation0引言均质充量压缩着火(HCCI 燃烧被认为是发动机燃烧技术的一个重大进步,作为有别于传统的汽油机均质点燃预混燃烧、柴油机非均质压燃扩散燃烧和GDI 发动机分层稀薄燃烧方式的第4种燃烧方式,HCCI 能同时大幅降低NO x 和PM ,并有可能将汽油机的效率提高到柴油机的水

7、平.随着发动机控制技术的发展,HCCI燃烧技术在内燃机节能和降低排放方面的潜力引起了国际内燃机界的极大关注,美国、欧洲和日本的一些研究机构和企业都大力开展了这一领域的研究工作.在我国,由苏万华教授担任首席科学家的国家973基础研究项目新一代内燃机燃烧理论(HCCI燃烧已于2001年得到国家科技部批准,分别由八大院校组织联合攻关.在HCCI燃烧研究过程中,作为研究与开发主要手段之一的数值模拟近年来已逐步形成了一定的规模,并取得了重要的进展.1979年,Onishi等人1首次在2行程发动机上进行HCCI的研究,1983年Najt等人2将零维双区模型首次应用到了HCCI 燃烧的理论和数值分析上,其按

8、照通用的汽油机建模方法,将工质分为未燃燃料和燃烧产物与空气的混合气两部分,而着火过程用shell模型模拟.从20世纪90年代末开始,HCCI数值模拟研究公开发表的论文呈逐年递增之势,主要来自发达国家的大学、研究机构和汽车及发动机的知名企业,如美国Law2 rence Livermore和Sandia国家实验室、Wisconsin 大学以及福特、通用等厂商.在国家973计划支持下,国内若干高校也积极开展了该方向的研究.由于HCCI燃烧极其复杂,其全面、准确和高效的模拟是一个相当严峻的挑战.应当看到,HCCI 的数值模拟研究就其目前的发展水平而言,已落后于实验研究,一些在HCCI发动机上已被实验证

9、明为有效的方法与技术还未见相关数值模拟的报道. HCCI燃烧有其独特之处,要深入研究这些现象,除了必须的实验手段外,仿真模拟也是不可缺少的一个环节,如HCCI特有的多点着火、湍流与化学动力学的耦合,以及用来控制着火时刻的可变压缩比等技术都需要在深入研究的基础上建立相关子模型来开展研究.1HCCI燃烧的数值模拟一般认为,HCCI燃烧主要受化学反应动力学控制,许多学者对其机理做了大量研究,其放热率一般分为两个阶段,第一阶段放热和主放热阶段.第一阶段放热与低温动力学反应有关,此时是冷焰、蓝焰.在第一阶段放热和主放热之间有一个时间延迟,延迟时间主要由这些反应的negative temperat ure

10、 coefficient regime(负温度系数现象,即温度升高,反应变慢决定的.用光学诊断的方法来研究HCCI 的燃烧过程发现第二阶段燃烧是多点同时进行的,一旦着火,混合气迅速燃烧,没有可视火焰传播,一般认为HCCI的完全燃烧仅由化学动力学控制,没有一般燃烧中的流动,局部仍存在不均匀物质,从而有局部波动现象,所以尽管没有前端火焰,HCCI的放热率并不是由化学反应速率来控制的.1.1单区模型HCCI燃烧主要由化学动力学控制,这就决定了其仿真模拟必须把化学动力学模型置于核心地位,而详细化学反应机理的巨大工作量使得它与多维CFD模型相耦合时非常消耗计算资源.另外, HCCI均质充量多点燃烧的特点

11、决定了其用零维模型必然比用在普通汽油机或柴油机上准确.因此,迄今有关HCCI数值模拟的研究中,绝大多数都是基于零维模型329.零维模型一般将整个气缸视为温度和浓度均匀的绝热系统,或采用经验公式考虑壁面散热损失,如Wo schni公式10等,根据产物的详细化学动力学模型用化学动力学软件CH EM KIN,HC T等来模拟反应过程.Aceves等人3运用单区模型结合详细的化学动力学模型研究了压缩比对HCCI燃烧的影响,发现单区模型具有预测HCCI燃烧过程的能力,特别是能较准确地计算燃烧始点和滞燃期,也能计673浙江工业大学学报第35卷算NO x 的排放.但它对燃烧持续期、最高压力和燃烧效率预测误差

12、较大,同时不能计算CO 和HC 排放.燃烧持续期被低估是由于单区模型假设缸内所有混合气都是同时被压燃,而事实上缸内混合气不可能为完全均匀状态,在压缩过程中部分燃料蒸气会被挤压到缝隙区和壁面处成为温度很低的冷混合气而构成所谓的热边界层11,12,这导致了缸内混合气的着火时间有轻微差异,特别是边界层中的混合气着火时间会有一个滞后,因而延长了燃烧持续期.单区模型假设缸内所有工质完全反应,事实上边界层中冷混合气肯定会有不完全燃烧,由此导致最高压力和温度被高估,以及CO 和HC 排放计算误差.现有大多数零维模型计算一般从下止点或压缩 冲程某一曲轴转角开始到燃烧过程结束,不包括进排气过程,缸内初始条件大都

13、来自实验数据.而Og 2ink 等人5的模型将Senkin 模块与循环模拟程序Boo st 耦合起来,成功地模拟了整个发动机工作循环,这就避免了部分循环模拟中初始条件设置的任意性,从而提高了计算精度.零维单区模型过分简化了发动机缸内的真实状态,缸内混合气不可能是均匀状态,即使对HCCI 燃烧,一定程度的不均匀也必然存在,完全均质充量是不现实的.其实国际上现在对HCCI 中的“均质充量”概念已经有所拓展,如有人称柴油HCCI 为PC 2CI (premixed charge comp ression ignition ,预混充气压缩燃烧13,认为这样表述可能更加准确.基于这个思想有人提出了HCC

14、I 燃烧的多区模型14220.Fiveland 等人构建了一个双区模型14,如图1所示,将整个燃烧室分为绝热中心层和热边界层,通过求解热边界层的一维动量和能量方程得出边界层厚度,以求出被吸入边界层的混合气质量.结合详细的化学动力学模型,该双区模型可以比较精确地预测单区模型力所不及的燃烧持续期、最高压力、CO 和HC 排放等.值得注意的是,该模型提出了单区模型中通常采用的Woschni 传热公式并不适用于HCCI 发动机,因为作为Woschni 公式的拟合数据来自于普通柴油机,其燃烧方式与HCCI 燃烧有显著差别14.图12区模型的分区示意图Fig.1The schematic of two 2

15、zone modelEasley 等人16提出了一个6区模型(图2,包括不变厚度的壁面边界层区、定容的缸套与活塞之图26区模型的分区示意图Fig.2The schematic of six 2zone model间的缝隙层、3个绝热的内核层以及一个外区,并通过一维的气体动力学求解出压缩阶段开始前残余废气分量以及缸内平均温度,以作为6区模型运算的初始条件.计算结果显示,着火首先发生在温度最高的内核6区,它着火后膨胀,使相邻的5区受到压缩而点燃,并相继使4区和3区被压燃,1,2区则始终不能着火,而且正是此二区内未燃的混合气在膨胀冲程流向燃烧室内部高温区而生成绝大多数CO.Flowers 等人17将

16、整个气缸分别分为10,20和40773第4期孟彬,等:均质充量压缩燃烧数值模拟的研究动态个区,利用CFD软件计算了在不同分区情况下压缩过程中缸内温度场的分布,通过和实验对比,研究了多区模型的分区数对模型精度的影响.计算结果显示当分区数为10个时,可较精确预测燃烧持续期和最高压力(分别为21%和1.4%的误差;分区数继续增加,模型精度并没有明显的提高;即使用了40个区的模型,CO排放还是被低估将近84%(和实验数据对比,这可能是缸内温度较低的区域(边界层和缝隙层离散还是不够精细的原因.从本质上讲,要精确预测HCCI燃烧的所有性能参数,详细的化学动力学与CFD(计算流体动力学耦合的多维模型是最好的

17、途径.而在当前计算机资源仍受制约的情况下,多区模型很好地在计算精度和计算效率之间取了折衷,因而得到了广泛的应用.1.3CFD模型多区模型在一定程度上考虑了缸内混合气的非均匀性,但它忽略了工质的运动过程,从而无法描述和模拟一系列对燃烧过程起重要作用的机理.尽管HCCI燃烧主要由化学动力学主导的观点已被普遍接受,但是湍流对HCCI的影响仍然存在争论,因此人们提出了CFD与详细化学动力学模型相耦合的多维模型21224.美国Wisconsin大学的K ong等人21,22将Chemkin程序与内燃机缸内过程模拟通用软件KIVA-3V相耦合,即在每一时间步内先利用KIVA-3V算出每一网格单元中的组分浓

18、度、温度和压力等热力学参数,Chemkin利用这些数据进行化学反应计算,对各参数进行更新,供KIVA -3V进行下一步计算,此过程交替进行直到燃烧结束.计算结果验证了HCCI的着火确实同时发生在燃烧室较大空间范围,还发现湍流对燃烧反应率的影响不可忽略.单纯的动力学模型虽然能较好模拟着火定时和两级着火等现象,但其给出的压升率和放热率曲线都与实验结果有严重偏离,但考虑湍流混合效应后,结果大为改善.相对于单区和多区模型,CFD与详细化学动力学耦合的多维模型在计算精度上有了较大提高,但是计算量大、消耗计算机资源的缺点使得其实际应用受到了限制.为了克服这个问题,Aceves等人提出了一个折中方案2522

19、7,他们将燃烧室分为几个区,相互之间不考虑热量与质量传递,区与区之间仅由均匀分布的压力耦合,从而减少了计算量;仿真开始时先用KIVA计算压缩过程中缸内流场和温度场,由于着火尚未开始,故化学反应可忽略,因而也减少了一定的计算量.到接近着火时刻时,计算从CFD程序切换到多区模型.前者产生的温度、浓度场直接作为后者的初始条件,以便进行燃烧计算.这样,采用较少的分区就可达到较高的精度,在一定程度上实现了化学动力学与流体动力学的耦合.Aceves等人通过该模型得出了以下结论(图3:(1燃烧室最中心层温度最高,首先开始自燃;(2中心区自燃开始膨胀,压迫周围邻近的区;(3邻近区被压缩加热,开始自燃;(4一旦

20、自燃开始,这些区也开始膨胀并压缩周围的区;这个过程周而复始直到该区内的工质由于温度过低或者太靠近缸壁而不能反应为止.仿真的结果为在实验中观察到的HCCI相对高的HC排放和延迟的热量释放(第一阶段放热和主放热之间的时间延迟提供了有力的佐证 .图3Aceves等人形容的HCCI燃烧传播过程Fig.3The HCCI combustion propagation processdescribed by Aceves et al值得注意的是,近年来随着计算机硬件水平的提高,采用详细化学反应动力学耦合CFD模型计算HCCI发动机工作过程开始逐渐增多.如英国brunel大学研究了缸内直喷喷油时刻对HCCI

21、燃烧的影响28.清华大学计算了缸内直喷喷油时刻对HCCI燃烧的影响,解析了分层混合气压燃拓展HCCI负荷,发现着火首先发生在浓稀交界处29.美国Wisconsin大学采用先进的大涡模拟(L ES建立了三维CFD耦合化学反应动力学模型30,对包括进排气管在内的4气门柴油机进行了多循环仿真,873浙江工业大学学报第35卷该模型是迄今为止最为复杂的HCCI发动机CFD 模型,采用的L ES技术能模拟细致的缸内流动,可分析燃烧过程中的燃烧组分变化和循环波动产生的原因,然而其计算时间高达1000h,在普通微机上实施这样的计算还是有一定困难.2结论与展望综合国内外诸多对HCCI数值模拟的研究工作,可以得出

22、以下结论:(1由于HCCI的着火定时主要受工质的热动力学和化学动力学主导,零维单区和多区模型对于燃烧始点的预测以及定性分析各种运转参数对燃烧影响的变化趋势,如压缩比、空燃比、转速、进气温度与压力、燃料成分和EGR率等,已经取得了相对令人满意的结果.(2受缸内工质流动影响,本质上HCCI既非均匀混合也非均匀燃烧,燃烧室内温度分布不均.因此要精确预测其燃烧持续期、缸内最高压力、CO和HC排放等参数,则需要有由详细的化学动力学与详细的流体动力学耦合的模型.而在当前计算机资源仍受制约的情况下,多区模型很好地在计算精度和计算效率之间取了折衷,因而得到了广泛的应用.(3长远来看,CFD与详细化学动力学耦合

23、的多维模型是HCCI模拟的发展方向,而这必然要以计算机性能的大幅度提升以及更加先进的计算方法为前提,因而需要发动机界与相关交叉学界的共同努力.参考文献:1ONISHI S,HON G J S,SHODA K,et al.Active t hermo2at2mosphere combustion(A TAC2a new combustion process for internal combustion enginesCSA E Paper790501.Warren2 dele:SA E,1979.2NAJ T P M,FOSTER D E.Compression ignited homogen

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