均质充量压缩燃烧发动机燃烧模型与数值模拟研究

摘要

HCCI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。HCCI发动机燃烧效率高、NO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HCCI发动机大规模商业应用的最主要问题之一是HCCI发动机没有直接的着火时刻控制策略。HCCI燃烧的独特性使得HCCI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HCCI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HCCI发动机合适的着火及排放控制策略，本文在对HCCI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HCCI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HCCI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HCCI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HCCI燃烧着火时刻受上述因素影响的规律，为HCCI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HCCI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14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HCCI发动机主要排放物NO、HC和CO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HCCI发动机排放控制策略提供了理论基础。

目录

文摘

英文文摘

前言

第一章绪论

1.1当前发动机的缺点和HCCI发动机的提出

1.1.1汽油机和柴油机的工作过程

1.1.2汽油机燃烧特点和不足

1.1.3柴油机的特点与不足

1.1.4HCCI发动机提出的意义

1.2HCCI发动机的特点

1.3HCCI的研究进展

1.4HCCI发动机目前存在主要问题

1.5本文的研究目的和研究方法

第二章HCCI燃烧数学模型的建立

2.1HCCI燃烧模型回顾

2.1.1零维模型

2.1.2准维模型

2.1.3多维模型

2.1.4结合CFD技术的多区模型

2.1.5本次课题数值模型

2.2单区模型

2.2.1单区模型的意义和作用

2.2.2单区模型控制方程

2.2多区模型

2.2.1多区模型建模思想

2.2.2燃烧的Damkohler准则

2.2.3HCCI燃烧分析

2.2.4多区模型控制方程

2.3HCCI发动机计算模型的要求

2.3.1HCCI流动模型要求

2.3.2HCCI燃烧化学反应动力学模型要求

2.4STAR-CD和CHEMKIN介绍

2.4.1STAR-CD介绍

2.4.2CHEMKIN软件简介

第三章单区模型数值计算

3.1动力学模型反应机理

3.2着火延迟期定义及其确定方法

3.3计算结果分析

3.3.1十六烷值和辛烷值对着火时刻的影响

3.3.2压缩比对不同燃料着火时刻的影响

3.3.3当量比对着火时刻的影响

3.3.4进气温度对着火时刻的影响

3.3.5进气压力对着火时刻的影响

3.4结论

第四章多区模型数值计算

4.1流动模型

4.1.1定义网格

4.1.2气阀升程

4.1.3初始条件

4.1.4边界条件

4.1.5结果分析

4.2多区模型的动力学分析

4.2.1区域划分及初始条件

4.2.1计算过程

4.2.2计算结果

4.2.3结果分析

第五章结论及研究展望

参考文献

致谢

攻读研究生期间发表的论文