均质压燃(HCCI)发动机数学模拟:进展与挑战

均质压燃(HCCI)发动机由于其突出的优越性已成为世界范围的研究热点,数学模拟在其中发挥着目益重要的作用。因此,对近年来HCCI数学模拟研究的进展做了较全面的评述,着重介绍了化学反应动力学模型的研究方法和最新成果,对HCCI发动机计算机模拟的发展现状按单区模型、多区模型和多维模型分别进行了讨论。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;而后者由于计算机资源的限制,目前尚处于发展初期。最后,针对该领域存在的问题和今后重点研究方向提出了建议。     

正庚烷均质压燃燃烧特性和排放特性的实验研究

为进一步了解高十六烷值燃料均质压燃的燃烧特性和排放特性，以正庚烷（n-heptane）为燃料，在一台改装的单缸直喷柴油机上进行正庚烷均质压燃台架实验．结果表明，正庚烷在均质压燃模式下表现出明显的双阶段着火特性；随着混合气浓度增大，缸内最大爆发压力和燃烧放热率峰值升高；随着发动机转速升高，燃烧放热率峰值先降低后升高，高转速的缸内最大爆发压力降低；当废气再循环率增大，缸内最大爆发压力和燃烧放热率峰值均降低，废气再循环使正庚烷均质压燃的运转工况范围向大负荷工况扩展，废气再循环率为75％正庚烷均质压燃运转的最高平均指示压力为0．41MPa．排放测试表明，正庚烷在均质压燃模式下的氮氧化物排放接近零，且可以实现无碳烟排放，但碳氢化合物和一氧化碳排放较高．     

二甲醚/甲醇均质压燃的燃烧特性

为开究二甲醚/甲醇均质压燃的燃烧特性，在单缸发动机上进行了二甲影甲醇均质压燃的试验研究．结果表明，随二甲醚浓度增加，主燃烧时刻提前，燃烧持续期缩短，放热率峰值升高；随甲醇浓度增加，低温反应变得不明显，主燃烧时刻推迟，燃烧持续期延长，因此通过调节2种燃料浓度可以有效控制均质压燃燃烧过程．在均质压燃正常燃烧范围内，燃烧效率和指示热效率随二甲醚浓度的增加而提高，随甲醇浓度的增加而降低，通过采用较浓的二甲醚可以获得比较高的指示热效率值，试验中在较高负荷采用高浓度二甲醚时，指示热效率达到48％．     

压缩比和CO2对二甲醚燃料均质压燃燃烧的影响

在一台2-135柴油机上实现了纯二甲醚(DME)的均质充量压燃(HCCI)的燃烧方式.为了扩展发动机适用工况,控制HCCI着火,进一步通过调节试验发动机压缩比以及在优化的压缩比下在进气道中加入气体CO2的方法来改进和控制HCCI的燃烧.试验结果表明,DME的HCCI燃烧模式不但可以实现无烟燃烧,还可以有效控制发动机NOx排放,使其接近于零排放.在试验负荷范围内,CO排放随负荷增加而降低;HC的排放随负荷增加而减少.对DME的HCCI燃烧机理等进行研究表明,由于纯DME十六烷值高导致着火较早(上止点前28°左右),该发动机只能在中低负荷较小范围内运行.改进的燃烧方法可以有效地控制HCCI燃烧,拓展HCCI发动机运转范围.     

均质压燃的燃烧循环变动试验

为研究均质压燃的燃烧循环变动规律，在单缸发动机上进行了不同辛烷值燃料的均质压燃试验．结果表明，在恒定的平均指示压力下循环变动随辛烷值的增大而增大，在恒定的辛烷值下循环变动随平均指示压力的增大而减小；对于高辛烷值燃料，转速对循环变动的影响非常明显，尤其在较高转速时，循环变动随转速的升高急剧增大；在不发生爆震的情况下，燃烧效率、指示热效率以及HC和CO排放随循环变动的减小而改善，而NOx排放几乎没有变化，但一旦出现爆震情况，则指示热效率降低，NOx排放急剧升高．     

纯氧氛围下正庚烷均质压燃燃烧特性

基于一台双缸柴油机,结合自行设计开发的纯氧进气系统进行试验,研究了不同进气氧体积分数对正庚烷均质压燃燃烧过程及稳定性的影响。试验结果表明,随着混合气中氧体积分数降低,二氧化碳体积分数增加,缸内平均比热容不断增大,使得缸内最高燃烧温度降低,其对应的峰值相位推迟,燃烧始点推迟,放热率峰值下降,热效率降低;同时发现随着二氧化碳体积分数的增加,缸内温度会随之降低,使得燃烧循环不稳定性增强。以上现象均表明较高的二氧化碳体积分数能够有效抑制纯氧氛围下正庚烷均质压燃。此外,试验发现了纯氧氛围下正庚烷均质压燃负温度系数区间持续时间大幅缩短现象。     

准均质充量压燃发动机低负荷排放性能的试验研究

通过试验研究了引燃油量和进气节流对天然气／柴油双燃料准均质充量压燃(QHCCI)发动机低负荷排放性能的影响．结果表明：在低负荷时适当地增加引燃油量，不但可以降低QHCCI发动机的排放，又可以提高其热效率；适当采用进气节流，可在热效率略有降低的情况下有效地改善QHCCI发动机在低负荷时的排放性能；在增大引燃油量的同时采用一定程度的进气节流对降低QHCCI发动机低负荷排放更为有利．     

二甲醚HCCI发动机微量排放物的研究

根据优化气相色谱仪工作条件,对二甲醚均质充量压燃(HCCI)发动机排气中的甲醛和甲酸甲酯进行了检测.通过二甲醚简化反应机理与Fluent的耦合联算,以及结合Woschni传热模型和DME详细反应机理的Chemkin反应动力学数值模拟,对二甲醚HCCI发动机的燃烧过程及其微量排放物(甲醛、甲酸和甲酸甲酯)进行了预测分析.结果表明:在一定条件下,甲醛、甲酸和甲酸甲酯存在于排气中,其排放量均随过量空气系数的减小而减小,发动机转速、进气温度和压力对其影响也很大.     

EGR对甲醇HCCI发动机燃烧与排放的影响

针对均质压燃燃烧难以控制的问题,在一台发动机上,改装进排气系统,并加装均质混合气供油系统和进气加热系统,研究了外部EGR（废气再循环）对甲醇HCCI（均质充量压缩着火）燃烧与排放特性的影响。结果表明：外部EGR对甲醇HCCI燃烧过程和排放都有显著的影响,随EGR率的增加,CA10、CA50逐渐推迟,燃烧持续期逐渐延长,但影响的程度因混合气浓度的不同而变化;HC和CO排放逐渐增加,且增加的幅度逐渐变大;NOx排放仅在混合气较浓时存在（过量空气系数小于1.5时）,且随着EGR率的增加迅速下降。     

基础燃料均质压燃燃烧特性的数值计算

结合详细化学反应动力学机理,利用CHEMKIN软件计算了基础燃料均质压燃燃烧(HCCI)的过程,并与单缸HCCI燃烧试验作出对比。研究了燃料成分、压缩比、燃空当量比、初始温度、初始压力对HCCI发动机燃烧的影响。计算结果表明:随着燃料辛烷值的增加,着火延迟期增加;压缩比、当量比、初始温度、初始压力的变化对燃烧着火时刻有显著影响,同时不难看出,基础燃料HCCI燃烧运行工况范围是有限制的。     

掺烧乙醇对柴油机均质压燃影响的机理研究

研究纯柴油和以体积计90%柴油掺烧10%乙醇双燃料的化学动力学反应机理,分析乙醇加入对柴油均质压缩燃烧的重要物种、自由基和关键反应的影响。计算结果表明,乙醇在一定程度上抑制了柴油的低温反应,低温放热率峰值降低,负温度系数区域延长,高温阶段放热时间滞后且放热率峰值迅速增加。H2O2、HO2和OH是反应中生成的重要自由基,乙醇的加入使得这些自由基生成量减少且生成滞后,从而导致高温反应滞后。与纯柴油相比,掺燃乙醇使得反应产生的醛类物质数量减少,其中甲醛减少最为明显,其次为乙醛,而且对于常规排放物CO有所改善。     

基础燃料辛烷值对HCCI燃烧稳定性和循环变动的影响

研究了燃料辛烷值对均质充量压缩着火(HCCI)燃烧稳定性和循环变动的影响.在单缸HCCI发动机上,通过进气管喷射燃料形成均匀混合气,记录了正庚烷、PRF20、PRF40、PRF50、PRF60燃料在相同循环油量下100个循环的示功图,据此对主要燃烧参数和性能参数的循环变动进行了分析.研究表明,随着燃料辛烷值增加,各种燃烧参数和性能参数的循环变动系数增加,特别是当辛烷值达到40以后,循环变动显著增加.对某一种燃料而言,低温着火时刻和高温着火时刻的循环变动系数较小;燃烧过程后期参数(如最大放热率、最大压力升高率)的循环变动系数要大得多;而反映发动机性能的宏观参数(如最大气缸压力和平均指示压力)的循环变动的数量级介于两类燃烧参数之间.     

二甲醚均质压燃燃烧化学反应动力学机理数值模拟

应用单区燃烧模型对二甲醚(DME)均质压燃燃烧(HCCI)的化学反应动力学过程进行了数值模拟研究.通过分析在内燃机压燃燃烧边界条件下DME燃料氧化反应过程中的关键基元反应速度、关键中间产物以及自由基的浓度随曲轴转角的变化,得到了DME燃料燃烧氧化的反应途径.结果表明,DME燃料均质压燃燃烧具有明显的两阶段放热特性,即低温反应放热和高温反应放热;燃料脱氢产物的两次加氧反应是低温反应发生的关键;脱氢产物的第一次加氧反应转向脱氢产物的裂解反应是高温反应的主要途径.DME低温反应阶段的主要氧化产物包括甲醛(CH2O)和甲酸(HOCHO).     

负阀重叠的双缸直喷汽油机HCCI燃烧控制

在一台双缸缸内直喷汽油机(GD I)上,采用负阀重叠(NVO)的配气相位和两阶段燃油喷射技术来控制缸内混合气的形成和燃烧,实现了高效低污染的汽油均质混合气压燃(HCC I)燃烧模式。在转速为800~2 200 r/m in、负荷(平均指示压力)为0.1~0.53M Pa的HCC I工况平面内,指示油耗在较宽的范围内低于240 g.kW-1.-h 1,NOx排放(体积分数)低于4×10-5,无碳烟排放。在HCC I运行范围内研究了不同喷油策略对HCC I燃烧特性的影响。结果表明,适当的NVO和两阶段缸内直喷可以有效地降低HCC I燃烧循环波动,控制着火始点、燃烧速率以及拓宽HCC I运行范围。     

纯甲醇发动机均质压燃燃烧特性模拟

以甲醇为燃料,模拟研究了进气温度、过量空气系数、压缩比、EGR率等参数对均质充量压燃(HCCI)发动机燃烧特性的影响,同时确定了HCCI可行的工作范围.采用单区燃烧模型和详细化学反应动力学机理通过CHEMKIN软件模拟了甲醇发动机的燃烧特性.计算结果表明:随着进气温度和压缩比的升高,燃烧始点提前,燃烧持续期缩短,缸内温度、压力、燃烧放热率和压力升高率均升高;过量空气系数对燃烧始点影响很小,对燃烧持续期有一定影响;随着EGR率的增加,着火时刻推迟,燃烧持续期增加,缸内温度、压力、燃烧放热率和压力升高率均降低.发动机转速为1 500 r/min,不使用EGR、过量空气系数为5～9时,可以实现HCCI燃烧,随着EGR率的增加,HCCI燃烧区范围变窄.     

压燃式纯甲醇发动机的试验研究

对双缸柴油机上直喷压燃方式燃烧纯甲醇的燃烧特性进行了研究。根据甲醇燃料 汽化潜热大、自燃温度高、直接田燃困难等特点，采用提高压缩比进气加热等措施， 成功地使纯甲醇在直喷田燃方式下获得了稳定运转。结果表明，这种甲醇燃烧方式能 有效地降低柴油机的ＮＯｘ排放量，其能耗率与现有柴油机基本相等，并就这种新型 甲醇代用方式的燃烧过程示功图、放热率、滞燃期及热效率等特点与柴抽相比较，进 行了较深入的分析探讨。     

LPG浓度对DME/LPG混合燃料HCCI燃烧的影响

通过分析二甲醚（DME）与液化石油气（LPG）的化学反应机理,构建了反映DME／LPG混合燃料均质压燃（HCCI）燃烧的化学反应机理．采用该机理应用单区燃烧模型对DME／LPG混合燃料HCCI燃烧的化学反应动力学过程进行了数值计算,模拟研究了混合燃料中LPG浓度对HCCI燃烧的影响．计算结果与试验结果对比表明,所构建的DME／LPG混合燃料氧化的化学反应机理能够准确预测DME／LPG混合燃料的两阶段放热特性,对低温和高温着火始点的预测很好．模拟结果显示,改变DME／LPG混合燃料中LPG的浓度可以控制HCCI着火和燃烧;在DME中添加LPG可以拓宽发动机的负荷运行范围．     

柴油机HCCI燃烧过程中自燃着火和燃烧速率控制的研究

提出了多脉冲复合喷射控制系统以解决在柴油机上实现均质压燃着火燃烧模式(HCCI)的主要难点,即预混合气形成、自燃着火速率和燃烧速率的控制.研究了多脉冲喷射控制参数对自燃着火和燃烧速率的影响.结果表明利用该方法当发动机负荷提高平均指示压力0.93MPa时,成功实现了可控预混均质压燃燃烧.     

废气再循环对均质压燃发动机燃烧的影响

摘要：
废气再循环(EGR)技术对多缸均质混合气压燃(HCCI)发动机的燃烧有着重要影响.文中在优化热管理技术(OKP)型HCCI发动机上对EGR进行了实验研究.结果表明：EGR在OKP型HCCI发动机中可以推迟燃烧相位,降低燃烧速率,可以用于负荷的拓展;不同负荷下采取合适的EGR比例,可以提高平均指示压力;多缸发动机各缸存在固有差异,进气温度的差异导致各缸循环变动有差异;随着废气再循环率的升高,多缸的循环变动增加,各缸的循环变动差异进一步增大. 关键词：
汽油机; 均质混合气压燃; 废气再循环; 循环变动; 缸间循环波动 中图分类号： TK 411
文献标志码： A     

预混均质充量压缩燃烧发动机燃烧与排放特性

为改善柴油机的燃烧和排放特性,在一台2105柴油机上开展了二甲醚(DME)预混比和废气再循环(EGR)对二甲醚-柴油双燃料预混均质充量压缩燃烧(PCCI)发动机的燃烧与排放特性影响的试验研究,通过在进气道预混DME和缸内直喷柴油实现了PCCI燃烧模式。试验结果表明:随着DME预混比的增加,放热过程由两阶段放热发展到三阶段放热,燃烧始点前移,最高爆发压力逐渐增大且对应的相位不断提前;冷EGR导致的PCCI发动机最高爆发压力下降的程度、瞬时放热率峰值及压力升高率峰值对应的相位滞后程度均随着DME预混比的增加逐渐减弱;随着DME预混比的增大和EGR率的减小,当量有效燃油消耗率逐渐降低,有效热效率逐渐升高;DME预混比和EGR率增大可有效降低NOx排放,但是HC和CO排放有所增加。文中工况下最优DME预混比为30%。