（动力机械及工程专业论文）分层充量压燃燃烧及排放机理多维数值模拟研究.pdf

中文摘要 分层充量压燃是扩展均质燃烧运行工况范围，使发动机可以在更宽广的负荷 范围内实现高效清洁燃烧的有效技术途径，正受到国内外的广泛关注。 本文应用多维流体力学模型与简化动力学模型耦合计算，以正庚烷为研究对 象，研究了不同浓度分层条件下，分层压燃燃烧反应过程及有害排放物生成机理。 本文首先在本课题组所发展的正庚烷均质压燃简化机理基础上，通过敏感性分 析，发展了浓度分层条件下的简化动力学机理，与均质压燃简化机理相比，该机 理能够适应更大的浓度分布范围，大大提高了简化机理的计算精度。在此基础上， 建立了简化机理与c f d 机理的耦合模型，对分层压燃燃烧过程进行了计算分析。 计算结果表明，分层充量使得燃烧反应高温反应提前，燃烧从燃烧室内的浓混合 气区开始，c o 氧化反应速率降低，燃烧趋于平缓，浓度分层使燃烧持续期延长， 有利于将高效清洁燃烧向高负荷工况方向拓展，但燃烧室内出现局部高温区，使 得n o x 排放量升高。 作者通过采用气道喷射与缸内直喷实现不同的浓度分层方式，对不同浓度分 层对燃烧和排放影响进行了计算分析。结果表明：缸内喷油量不变，缸内喷油时 刻对燃烧与排放有较大的影响，发现喷油时刻为4 0 0 b t d c 时为分界点，当喷油 时刻早于4 0 0 b t d c ，燃烧过程更接近于h c c i 燃烧，高温燃烧速率加快，缸内 压力和温度升高率增加，但燃烧室内的局部高温区不明显，n o x 排放随喷油时 刻的提前而降低；当喷油时刻晚于4 0 0 b t d c 时，高温反应速率加快，燃烧室内 局部相对高温区温度升高，n o x 排放量增加，特别是当喷油时刻为1 3 。b t d c 时， 预混燃烧的高温反应阶段和直喷燃料的扩散燃烧重合，缸内压力和温度升高率升 高，n o x 排放量明显增大。缸内喷油时刻不变，随着缸内喷油量增加，高温反 应开始时刻提前，c o 反应速率降低，燃烧室内局部温度升高，n o x 排放量增加。 本文研究结果对揭示分层燃烧机理，混合气浓度分布特性控制有重要的理论 意义。 关键词：分层充量压燃正庚烷多维模型燃烧排放 a b s t r a c t s t r a t i f i e dc h a r g ec o m b u s t i o ni g n i t i o n ( s c c i ) i sap r o m i s i n gc o m b u s t i o nm o d e t h a tc a ne x p a n dt h eo p e r a t er a n g eo fh o m o g e n e o u sc h a r g ec o m b u s t i o ni g n i t i o n ( h c c i ) i ti sak e ys t r a t e g yt oa c h i e v e1 1 i 曲e f f i c i e n c ya n dl o we m i s s i o n s i nab i g g e r o p e r a t er a n g e am u l t i d i m e n s i o n a lm o d e li sa d o p t e dt oi n v e s t i g a t et h ec o m b u s t i o nm e c h a n i s m s a n de m i s s i o n p r o c e s s e s o f n h e p t a n e s c c ic o m b u s t i o np r o c e s s e s 1 1 1 e m u l t i d i m e n s i o n a lm o d e lc o u p l e st h er e d u c e dc h e m i s t r ya n dt h ec f d m o d e l f i r s to f a u m eq u o n d a mn h e p t a n er e d u c e dc h e m i s t r ym e c h a n i s me x p a n d e dt h r o u g ht h e s e n s i t i v i t ya n a l y s i s t h en e wc h e m i s t r ym e c h a n i s m sa d a p tt o s c c ic o m b u s t i o n s i m u l a t i o n , i m p r o v e dt h ec a l c u l a t i o np r e c i s i o n b a s e o nt h i sr e d u c e dc h e m i s t r y m e c h a n i s m ；am u l t i d i m e n s i o n a l m o d e li s a d o p t e d t o i n v e s t i g a t e t h es c c i c o m b u s t i o nm e c h a n i s m s s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es c c ih i g ht e m p e r a t u r e r e a c t i o no c c u r sa h e a do ft h eh c c ic o m b u s t i o np r o c e s s e s t h eh i g ht e m p e r a t u r e r e a c t i o nr e g i o n sf o rs c c ic o m b u s t i o np r o c e s sa r el o c a t e di nt h ea r e aw h e r et h e e q u i v a l e n c ei sh i g h i nt h es c c ic o m b u s t i o np r o c e s st h eo x i d i z i n gr e a c t i o ns p e e do f c or e d u c e d ，c o m b u s t i o np r o c e s sg e n t l y i ti sa d v a n t a g e o u si ne x p a n d e dt h eh i g h e f f i c i e n c ya n dl o we m i s s i o n sc o m b u s t i o no p e r a t i o nr a n g et o t h eh i g hl o a da r e a s t h e r ew i l la p p e a rap a r t i a lh i g ht e m p e r a t u r ea r e ai nt h es c c ic o m b u s t i o np r o c e s s ，s o t h en o xi n c r e a s e s a u t h o ru s e dp o r t d i r e c ti n j e c t i o nt oa c h i e v ed i f f e r e n ts t r a t i f i e dc h a r g e ，a n d s i m u l a t e dh o wd i f f e r e n ts t r a t i f i e dc h a r g ei n f l u e n c e dt h ec o m b u s t i o na n de m i s s i o n t 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l t so fe x c h a n g et h et i m i n go fi n j e c t i o ns h o w st h a t4 0 。b t d ci sa d i v i d i n gl i n e j 谤伤即曲ei n j e c t i o nt i m ei sb e f o r e4 0 d b t d c ，t h ec o m b u s t i o np r o c e s s i s m o r el i k eh c c ic o m b u s t i o np r o c e s s t h er a t eo fh i g ht e m p e r a t u r er e a c t i o ni n c r e a s e s ， t h ep a r t i a lh i 出t e m p e r a t u r ea r e ar e d u c e s ，n o xd e c r e a s e s ；w h e nt h ei n j e c t i o nt t m ei s a f t e r4 0 。b t d c ，t h er a t eo fh i g ht e m p e r a t u r er e a c t i o ni n c r e a s e s ，t h ep a r t i a lh i 曲 t e m p e r a t u r ea r e ae x t e n d ，n o x i n c r e a s e s e s p e c i a l l yw h e nt h ei n j e c t i o nt i m e i s 13 。b t d c ，t h eh i g ht e m p e r a t u r er e a c t i o no fh o m o g e n e o u sc h a r g ea n dt h ep r o l i f e r a t i o n b u r n i n go v e r l a p p e d t h ep r e s s u r ea n dt h ec o m b u s t i o nr a t ea r eh i g ha n dn o x i st h e h i g h e s t t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fe x c h a n g et h em a s so fi n j e c t i o ns h o w st h a ta l o n g w i t ht l l ei 1 1 je c tf u e li n c r e a s e ；t h eh i g ht e m p e r a t u r er e a c t i o no c c u r sa d v a n c e d ，t h e o x i d i z i n gr e a c t i o ns p e e do fc or e d u c e d ，t h ep a r t i a lh i g ht e m p e r a t u r ea r e ai nt h e c y l i n d e re n l a r g e d ，n o xi n c r e a s e d t h er e s u l to ft h i sr e s e a r c ho p e n e do u tt h ec o m b u s t i o nm e c h a n i s mo fs c c i i th a s i m p o r t a n tt h e o r ys i g n i f i c a n c et ot h es t r a t i f i e dc h a r g ec o n t r 0 1 k e yw o r d s ：s t r a t i f i e dc h a r g ec o m b u s t i o n i g n i t i o n ( s c c i ) ，n h e p t a n e ， m u l t i d i m e n s i o n a lm o d e l ，c o m b u s t i o n ，e m i s s i o n s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：鳅 签字日期：矿g 年丁月结日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：盍妻蹶 导师签名： 盘窃 签字日期：西年r 月谚日签字日期： 口分年r 月功日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着我国经济的迅速发展和汽车保有量的高速增长，汽车能源需求与环境保 护的双重压力增加。石油缺口量逐年增大，空气污染问题日益严峻。首先，能源 短缺已是十分紧迫的问题。我国的石油保有储量仅占世界的2 4 ，从1 9 9 3 年起 我国已经成为石油纯进口国，2 0 0 0 年我国进口原油7 0 0 0 万吨及一些成品油，所 用资金2 5 0 亿美元，到2 0 0 2 年，进口原油的数量已占总消费量的2 9 8 。从经 济方面分析，由于石油价格上涨，费用大幅度增加，例如2 0 0 0 年的进口石油数 量比1 9 9 9 年增加了5 3 8 ，而费用增加高达1 5 2 3 。由于中东地区局势动荡不 定，石油价格已由2 0 世纪7 0 年代的每桶3 美元上升到每桶3 0 美元以上。石油 资源逐渐枯竭，价格逐步上涨，大国对石油资源的争夺是大势所趋。因此严峻的 能源短缺形式迫使我们寻求节能技术手段。 其次，我国的汽车排放已成为城市大气环境的一个主要污染源。据统计，近 年来上海城区内机动车排放的c o 、h c 和n o x 已分别占总排污负荷的8 6 、9 0 和5 6 ，在北京非采暖期，城区内机动车排放的c o 、h c 和n o x 已分别占总 排污负荷的6 0 、8 6 6 和5 4 7 。城市机动车排放已经成为一些城市空气中 c o 、h c 、n o x 等污染物的主要来源。寻求高效低污染的燃烧方式成为了国内外 内燃机燃烧技术研究热点和前沿课题。 均质压燃燃烧结合了传统压燃式和点燃式发动机的优点，可以实现高效、清 洁燃烧，引起了国际内燃机界的高度重视。经过最近几年的研究，人们对h c c i 的燃烧机理有了一定的认识。普遍认为：h c c i 燃烧过程是由燃烧反应动力学所 控制，h c c i 燃烧控制只能通过间接的方法进行，因而，着火时刻和燃烧反应速 度控制是h c c i 面临的首要课题；其二是h c c i 运行工况范围较小，主要表现为小 负荷工况“失火”和大负荷工况“爆震燃烧”；其三是h c c i 在小负荷工况燃烧效 率低，导致高的h c 和c o 排放。因而，由于h c c i 燃烧本身的局限，发动机很难 在全工况范围内采用h c c i 燃烧模式，如何在全工况范围内组织高效清洁燃烧是 内燃机燃烧学研究的一个重要课题。最新的理论和试验研究表明【2 】3 】【4 】【5 】【6 】【7 】，内 燃机燃烧过程中主要有害排放产物生成都需要满足特定的边界条件，即特定的混 合气浓度和燃烧温度范围。进一步的研究发现，均质的稀薄混合气和浓混合气低 第一章绪论 温燃烧都可以降低有害排放物生成。因而，从理论上讲，合理组织混合气浓度分 层、避开有害排放产物生成区域，实现预混合气分层燃烧可以实现内燃机高效清 洁燃烧。 近年来，分层充量压燃受到国内外的高度重视。人们首先试图用分层混合气 压燃来克服h c c i 所带来的问题，通过混合气分层来控制h c c i 燃烧着火时刻和 燃烧反应速度，使其向大负荷工况和小负荷工况扩展，并提高发动机燃烧效率， 降低排放。但是，分层会产生较大的缸内温度和混合气浓度分布的变化，导致压 燃着火时刻的变化，发动机循环波动增大，n o x 排放升高。 因此我们要寻找到 最佳的混合气浓度分层方式，实现现代发动机控制和高功率输出的需要且保持 n o x 和微粒排放足够低以适应当前和未来排放标准。 1 2 分层充量燃烧研究现状 分层充量压燃燃烧( p r e m i x e dc h a r g ec o m p r e s s i o ni n g t i o n ，分层充量) 是对在 着火时刻缸内具有局部浓度和温度分层的均质充量压燃燃烧( h c c i ) 的普遍描 述。利用混合气分层来控制h c c i 燃烧着火时刻和燃烧反应速度，延长着火持续 期，使其向大负荷工况和小负荷工况扩展，并提高发动机燃烧效率，降低排放。 目前国内外所作的研究一般基于两种分层方法：燃烧室内的温度分层和混合气的 浓度分层。 1 2 1 温度分层 燃烧室内的温度分层也被称为热分层，热分层的变化可以改变燃烧反应速 率，控制压力升高率。在实际发动机的工作过程中本身就存在着自然的温度分层， 如工质和燃烧室壁的传热、新进空气的流动、前一循环热残余废气的存在以及燃 油的蒸发，都使得燃烧室内形成自然的热分层。热分层可以将h c c i 燃烧向大负 荷工况拓展，同时对降低燃烧速率有很强的潜力。m a g n u s 等【8 j 用c f d 模型论证了 用降低冷却液温度的方法提高燃烧室内自然热分层，结果表明这种方法可以明显 降低h c c i 燃烧的燃烧速率和压力升高率，但这种方法同时也会降低发动机的平 均指示热效率。除了增强传热可以拓宽热分层外，增加空气涡流、热残余废气与 冷的新鲜充量混合都可以获得相对较宽范围的温度分布。目前，许多用于燃烧相 位控制的技术，其本质都是通过控制燃烧室内温度分层使混合气在合适的曲轴转 角着火，如变压缩比、可变气门定时、热残余废气再循环、进气加热等。 第一章绪论 1 2 2 浓度分层 混合气浓度分层可以降低淬熄区内的燃油量，从而提高燃油经济性，扩展 h c c i 燃烧的运行范围。燃烧室内混合气的浓度分层可以通过改变缸内直喷燃油 量或者推迟缸内喷油时刻来形成。c r a i gd m 硎酣【9 】等以一台重型柴油机为研究 对象，研究不同浓度分层对燃烧过程的影响。结果表明，浓度分层在一定的进气 温度、负荷和转速条件下可以获得合适的燃烧相位。浓度分层可以提高燃烧效率， 降低u h c 排放。t a n e t a r o o n s r i s o p o n t l 0 】等在一台单缸机上用进气道喷射和缸内直 喷两种喷射方式结合来研究缸内浓度分层对燃烧的影响。结果表明在扩展稀燃极 限方面，浓度分层对发动机的i m e p 和排放方面都有极大的优势，使燃烧更加稳 定。j o h nd e c 等人【l l j 探索了混合气浓度分层在拓宽h c c i 发动机负荷上限方面的 潜力，结果表明当燃烧室内存在浓度分层时，缸内压力升高率降低并且发动机的 运行更加平稳，同时由于燃烧室内存在局部浓区，使得热焰发生时刻提前。天津 大学苏万华教授提出的m u l i b u m p 燃烧系统，通过改变多脉冲喷射控制参数( 脉 冲喷射定时、脉冲宽度和间隔) ，改变预喷混合气形成过程，进而柔性控制混合 气温度分层和浓度分层，实现对柴油h c c i 燃烧着火时刻和燃烧速率的控制。在 此基础上开发的调制多脉冲燃料喷射技术，根据燃烧室内温度和压力随曲轴转角 的变化，调节燃料喷射速率和喷射量，形成适当分层，控制燃烧过程，实现h c c i 燃烧负荷范围的扩大。 分层充量燃烧模式是实现在更宽广的负荷范围内实现清洁燃烧的重要技术 途径，目前其所面临的挑战就是如何寻找到最佳的分层方式，使其能在实现现代 发动机控制和高功率输出的需要同时保持低n o x 和微粒排放，满足当前和未来 的排放标准。在确定分层充量压燃燃烧的最佳分层方式时需要综合考虑分层对燃 烧、负荷、排放以及热效率的综合影响。 1 3 内燃机计算模型简介 随着科学技术的飞速发展，科学计算愈来愈显示出其重要性，其应用已遍及 各行各业。其中数值模拟以其独特的优点成为理解内燃机复杂物理、化学过程以 及指导发动机开发和优化的必不可少的工具。数值模拟或理论计算和试验研究相 比，其优点有：1 成本低。在大多数实际应用中，计算机运算的成本要比相应的 试验研究的成本低好几个数量级。随着所要研究的物理对象越来越大，越来越复 杂，这个因素的重要性还会不断增长。2 速度快。计算机的计算研究能以及其惊 人的速度进行。一个设计者可以在不到一天的时问内研究数百种不同的方案，并 第章绪论 从中选择出最佳的设计，但相应的试验研究需要非常多的时间。3 资料完备。尤 其是多维模拟，对一个问题的求解可以得到详尽而又完备的资料。与试验情况不 同，在计算中几乎没有达不到的位置，也不会遇到由于传感器引起的流场扰动等 问题。 按模型的维数划分，目前典型的模拟模型主要分为以下三类：1 ) 零维模型， 2 ) 准维模型，3 ) 多维模型。 1 3 1 零维模型 零维模型又被称为单区模型。它是通过对大量实际燃烧放热过程的统计分 析，找出规律性，用经验公式或曲线拟合的方法，建立一种表达燃烧放热过程参 数间的经验关系式，将复杂的燃烧过程简化表达成几个特征参数间的关系。零维 模型没有考虑流动问题也不考虑缸内温度场的不均匀性。这类模型的假设条件 是：缸内混合气充分均匀( 在某一曲轴转角) ，如图1 1 ( a ) 【12 1 ，即缸内压力、 温度和混合气组成用空间平均值代替，因此缸内燃油可以同时燃烧。零维模型能 够考虑燃料燃烧的详细化学反应动力学机理，常用于考察孤立参数的变化对燃烧 的影响趋势的理解性研究，如温度、浓度、惰性气体或活性成分添加以及发动机 转速、压缩比等运行参数的变化对燃烧的影响。零维模型的优点是能研究发动机 工作过程中的详细化学反应机理，预存着火时刻，进行燃烧过程变参数研究，占 用c p u 时间短，一般用于循环分析和多工况计算及参数优化，缺点是不能预测 u h c 和c o 排放。 开展零维单区模型计算通常采用s a n d i a 国家实验室的燃烧研究室开发的 c h e m k i n 、s e n k i n 1 3 1 程序和l a w r e n c el i v e r m o r e 实验室的h t c c l4 1 。采用 s e n k i n 程序进行零维单区化学动力学计算是使用最广的方法。该程序原是用于 计算封闭系统中均匀混合气化学反应的f o r t r a n 计算程序，此模型可对各基元反应 速率进行敏感性分析。将s e n k i n 应用于内燃机，只需讲定容系统改为变容积系 统，即将容积作为时间的函数。这样，组分质量分数z 和能量的守恒方程刻写为： d i e , ( 1 1 ) 言5 v 印，m ， g 鲁一磅一v 善e i c 丁_ m ， u 。2 式中，哆和m ，分别是组分i 的分子产生率和相对分子质量，v ：是气缸 比容积，v 是气缸容积，m 是缸内混合气总质量，。是组分数目，e i 是组分f 的 内能。 定义为： c o i ：n ( 咿巧) g 1 3 第一章绪论 第j 个及匝晌琏厦q 为： 。，吨e r 癫e 一吾，一t 。尊毒r “。4 其l l 反应速率常数k 按ar r h e n i u s 公式计算。 活塞运动所引起气缸容积的变化可用下式描述： 詈一孚仁+ 1e o s o ( t ) - c ) 2 - s i n 2 0 ( t ) “ 。， 其中，是余隙吝积，是压缩比，是连杆长度，口是曲轴半径，0 是曲轴转角 近年来很多学者在燃料化学反应动力学模型上做出了大量的研究。l a w r e n c e l i v e r m o r e 实验室的a c e v e ssm 等_ l “开发了考虑详细化学反应动力学的h c c i 燃烧 过程单区模型。z h e n g 1 ”提出的以2 0 和5 0 p r f 为燃料的h c c i 燃烧过程的骨架机 理，包括低温机理、高温机理和大分子裂解三个部分，成功的预测了着火特性， 包括温度、压力、滞燃期和放热率等。在国内方面，上海交通人学的崔毅副教授 等叩1 建立了一个柴油均质压燃发动机的零维循环计算模型，用基元反应机理和感 应时间( e m i t ) 模型预测着火正时，用建立的模型分析了配气定时对柴油均质 压燃燃烧过程的影响，结果表明配气定时可以控制均质压燃燃烧的运行工况范 围。吉林大学常国锋【l ”等运用零维模型和乙醇氧化反应化学动力学机理，建立乙 醇h c c 燃烧模型，对转速、e g r 等凼索对燃烧特性的影响进行了研究。 ( a ) 零维单区模型( b ) 多区模型 图1 1 争】要模型和多区模型 第一章绪论 1 3 2 准维模型 为了预测排放特性，特别是预测n o x 的生成，需要知道燃烧室内局部温度 和空燃比，因此，发展形成了准维热力学模型，即多区模型。模型将燃烧空间( 雾 束或者火焰) 化分成若干个区域，然后计算各分区内的温度和浓度。在准维模型 中，各区域之间可以通过膨胀、压缩做功以及质量、动量和能量的交换进而相互 影响。准维模型中的各个区域可以在不同曲轴转角着火自然，因此多区模型模拟 的放热过程比单区模型缓慢，整个燃烧过程更接近实际情况。 图1 1 ( b ) 所示的准维模型中包含三种区域，以燃烧室为中心向外，依次为 内核区、边界层区以及活塞与缸套之间的缝隙区【1 9 】。内核区为绝热区，对外界无 热损失，它可细分为若干各区，如图1 1 ( b ) 有三个内核区( c o r e l 、c o r e 2 、 c o r e 3 ) ；边界层直接与燃烧室壁面、缸盖、缸套和活塞相连；缝隙区虽然体积很 小，但由于始终处于低温状态，所以对缸内传热以及排放特性有很重要的影响。 准模型中不存在空间坐标，因而对各区域没有几何形状的描述，它们只是具 有一定体积、质量和各种热力学参数，作为输入量，需预先给定初始时刻( 如压 缩始点) 各区的温度、组分浓度以及各内核区的气体质量。同时还需给出边界层 厚度和缝隙区容积。此外假定整个缸内压力相等，并给定初始值。缝隙容积始终 不变；边界层的体积可按给定厚度及活塞的瞬时位置计算出来；而各内核区所占 体积也很容易以状态方程得出。当然，除缝隙区之外，各区体积在计算过程中是 变化的，以满足缸内压力平衡的要求 2 0 1 。 各区的能量方程司以写为： 6 ，观一c v , i 鲁嗍鲁 式中，o 是第i 区全部热源之和，包括燃烧放热和传热。 利用理想气体状态方程，可得各区体积 l ：，粤 e m x l j 其中，n 是分区总数，是气缸容积。将( 1 - 7 ) 带入( 1 - 6 ) 中， 用以确定各区温度z 的方程： 瓦和l 甏 二i ，id v 。， = q 乩l 西孑 ( 1 6 ) ( 1 7 ) 便得到 ( 1 8 ) 第章绪论 其中化学热源及各组分质量分数可按与单区模型相同的方法计算，采用详细 机理或各类简化机理均可。求得温度后，缸内压力可有状态方程方便地得到： 善i t - 页“z ，r ( 1 9 ) p c y t , t = 生f “ 式中，m ，是i 区的总质量，下表f 和t 一1 分别代表当前时间步和前一时间步。 n o d a , t 和f o s t e r , d e 【2 l j 通过在零维模型中引入不同温度参变量的多区模 拟来揭示温度分层的影响。e a s l e y 等【2 2 】在燃烧模型中加入相关的几何特征，包 括多核区、定常容积间隙区和常厚度淬熄层。t o r un o d a 和d a v i de f o s t e r 2 3 】利用 多区模型对一台以氢气为燃料的h c c i 发动机进行模拟研究，结果表明进气温度 对着火时刻的影响大于当量燃空比的影响，采用不均匀的进气温度比采用不均匀 的油气混合更容易实现可控的h c c i 燃烧。 在适合的标准下，准维模型的模拟能包括关键几何特征的影响而不会过多的 延长计算时间，它是一种可以用于实际汽车系统模拟的快速计算工具。准维模型 最大的不足是不能够准确的描述实际应用中可能存在的残余废气的分层或不均 匀性，尤其是在直喷系统中。同时其计算精度依赖于计算开始时刻的初始条件， 但不同工况下的初始条件是难以准确获得的。 1 3 3 多维模型 多维模型把计算流体力学和详细化学反应动力学耦合起来，计算流体力学通 过精细的多维网格来计算缸内流场、温度、压力和组分的输运变化，化学反应动 力学则使用详细反应动力学机理计算出各个网格单元在定温度、压力和组分下的 变化率，从而精确模拟发动机整个工作循环【2 4 1 。多维模型基于守恒定律，从气体 动力学、化学反应动力学、热交换、质量交换和动量传递等方面建立描述内燃机 燃烧过程的偏微分方程组，从而构成完整的计算模型，其计算结果能够提供有关 内燃机燃烧过程中的气流速度、温度和成分在燃烧室内空间分布的详细信息，是 一种较为精细的模型。 多维c f d 模型耦合详细化学动力学模型能够模拟发动机工作过程中的详细 物理化学现象，但其计算成本较高，一般只应用于新型燃烧方式的燃烧控制机理 研究中。s o n gc h a m gk o n g 和r o l fdr e i t z 将c h e m k i n 程序与内燃机缸内工作过 程模拟通过k i v a 3 v 耦合，即在每一时间步长内先利用k i v a 算出每个网格的组 分浓度、温度和压力等热力学参数，然后c h e m l 町利用这些数据进行化学反应 计算，对各参数进行更新，供k i v a 进行下一步计算，此过程交替进行直到燃烧 第一章绪论 结束。其中反应速率计算采用了特征反应时间模型，即兼顾化学动力学和湍流混 合两个因素，该模型已被j j n ) n , f i r e 软件包【2 5 1 。例如，第i 种组分的反应速率可表 示为： q - ( f 一捌+ 儿) ( 1 - 1 0 ) 其中，鬈+ 和z 分别是组分i 的平衡浓度和当前浓度，f 圳和f m 而分别是化学 动力学时间尺度和湍流混合时间尺度。前者由c h e m k i n 提供，后者取为湍流 涡团的滚转( t u r n o v e r ) 周期，即 ：譬( 1 - 1 1 ) k 、s 为湍流动能及其耗散率；c 。：为混合模型常熟，可根据混合气情况调 整；f 是反应速率，表示燃烧产物在混合气种所占的份额，取值为0 到1 。 a g r a w a l 和a s s a n i s 2 6 采用天然气详细化学动力学模型( 2 2 种物质，1 0 4 个基 元反应) 与k i v a 3 v 耦合来模拟天然气真喷发动机的自燃着火。详细化学动力学 用来预测着火始点，单步化学反应用于模拟燃料转化成生成物的完全燃烧，n o x 形成选用z e l d o v i c hn o x 生成机理。z h iw a n g 等用三维c f d 代码f i r e 与 c h e m k i n 耦合模拟多阶段汽油缸内直喷过程 2 7 】，c h e m k i n 用来模拟着火、燃 烧和排放形成的化学过程，f i r e 用于模拟汽油喷射、雾化、燃烧和排放形成的 过程。n o e ll 等b 剐将c f d 通用软件s t a r - - c d 与c h e m k i n 相耦合，模拟了正庚 烷h c c i 燃烧过程。计算采用包含3 7 种组分，6 1 个反应地骨架机理，重点研究 e g r 对着火时刻和燃烧特性的影响。大连理工大学的贾明【2 9 】使用k i v a 和化学反 应动力学模型耦合，模拟异辛烷h c c i 燃烧的燃烧过程。结果表明初始温度对着 火点的影响较网格密度和时间步长要显著的多。 a b a b a j i m o p o u l o s l 等【3 0 】运用v a 一3 v 软件结合多区模型详细化学动力学 模型，模拟分层充量发动机燃烧过程。用k 1 v a 计算每个网格的热力学参数( 缸 内流场、温度场) ，多区模型耦合详细化学动力学模型进行化学反应计算，并更 新燃烧室内组分和放热量等数据供k i v a 进行下一步计算。计算结果显示这个方 法可以很好的模拟分层充量燃烧过程，研究温度、浓度分层对着火时刻、燃烧持 续期和排放的影响。 第一章绪论 1 4 本文选题及意义 分层充量压燃燃烧可以解决均质燃烧目前所面临的着火时刻难控制、运行工 况范围窄等问题，是实现内燃机实现高效低污染的重要技术途径。分层充量压燃 特征是尽量增加预混合燃烧比例，因而其燃烧过程同样主要受化学动力学控制， 所以化学动力学模型在其燃烧分析中处于核心位置。同时由于燃烧室内存在温 度、浓度分层，使得c f d 模拟在分层充量燃烧过程模拟中的作用同样重要。因 此将c f d 模型和化学反应动力学耦合是研究分层充量燃烧的有效手段。 本文应用正庚烷简化机理和多维c f d 模型进行耦合计算，研究了分层充量 燃烧过程中燃烧室内的温度变化历程，重要中间产物生成历程，对比不同分层条 件下分层充量的燃烧反应机理。 本课题的主要研究内容包括： 1 在均质压燃简化机理基础上发展适合于分层充量压燃的简化动力学机 理。 2 应用正庚烷简化机理与多维c f d 模型进行耦合计算，对比分析分层充 量压燃燃烧和均质充量燃烧的燃烧过程； 3 应用正庚烷简化机理与多维c f d 模型进行耦合计算，研究相同燃空当 量比，不同浓度分层对分层压燃燃烧过程及有害排放生成的影响。 上述研究对深入理解分层充量燃烧反应机理，不同浓度分层对燃烧过程和排 放的影响有重要的理论意义，为实现理想的分层燃烧提供了理论依据。 第二章计算软件及模型介绍 2 1 计算软件介绍 第二章计算软件及模型介绍 s t a r c d 是由英国帝国学院提出的通用流体分析软件，该软件基于有限体 积法，适用于不可压流和可压流( 包括跨音速和超音速流) 的计算、热力学计算 及非牛顿流的计算。它具有前处理器、求解器、后处理器三大模块，用良好的可 视化用户界面将建模、求解及后处理与全部的物理模型和算法结合在一个软件包 中。 s t a r - c d 的前处理器( p r o s t a r ) 具有较强的c a d 建模功能，具有多种网格 划分技术和网格局部加密技术，可以对网格质量优劣进行自我判断。s t a r c d 可以处理滑移网格问题，在复杂计算区域的能力较强。同时它提供了多种边界条 件，供用户根据不同地流动物理特性来选择合适地边界条件。它提供了多种高级 湍流模型，如各类k 模型。s t a r c d 具有s i m p l e 、s i m p i s o 、和p i s o 等 求解器，可根据网格质量地优劣和流动物理特性来选择。在差分格式方面，具有 低阶和高阶地差分格式，如一阶迎风、二阶迎风、中心差分、q u i c k 格式和混 合格式等。s t a r c d 的后处理器，具有动态和静态显示计算结果的功能。同时 在三大模块中提供了与用户的接口，可以根据需要编制f o r t r a n 子程序和 s t a r - c d 提供的接口函数来达到预期的目的。 s t a r k i n e t i c s 软件是c d a d a p c o 公司和r e a c t i o nd e s i g n 公司产品的结合【3 2 1 ， c d - - a d a p c o 公司将r e a c t i o nd e s i g n 公司的化学反应求解器( 气相化学反应和表面 化学反应) 和物质属性数据库结合至i j s t a r - c d 中，形成了s t a r k i n e t i c s ，见图 2 1 。在这个动力学模块中结合了求解不同组分的气相化学机理c h e m k i n 技术以 及先进的专业计算流体力学软件s t a r c d 。c h e m k i n 被用于求解气相反应和固 体表面化学反应，所以在大部分燃烧优化和其他化学反应过程模拟的软件中应用 的均是c h e m k i n 技术。s t a r c d 流体软件包采用先进的数值方法，高效求解联 合差分方程和其他描述多物质输运现象的关系式。s t a r k i n e t i c s 模块结合了 c d a d a p c o 公司求解流动的优势和r e a c t i o nd e s i g n 公司求解化学反应的优势，可 以模拟复杂几何形状下的流动和化学反应。 1 0 第二章计算软件及模型舟绍 进行漉场计算，得到 压力、温度，化学物 质质量等基本量 对每个同格均分别 进行单区零雏妁化 学动力学求解 溉，z 图2 - s t a r k i n e t i c s 耦合策略 因为本研究对象主要受化学动力学控制，故本研究采用基于复杂化学反应动 力学的湍流燃烧模型。在网格尺度内不考虑湍流时化学反应速率的影响，但在网 格之间进行传质和传热的流动求解，进而间接考虑湍流对化学反应的影响。 2 2 计算模型介绍 s t a r c d 对喷雾扩散项的模拟基于离散浪滴模型( d d m ) ，液体燃料 以计算包( p a r c e l s ) 的形式引入计算域，每个计算包代表一类具有相同属性( 如 速度、大小、密度和温度等) 的液滴群( d r o p l e t s ) 。用拉格朗日方法跟踪这些油 滴样本的运动，印求解其运动轨迹和传热传质的系列方程。连续相的方程采用 欧拉方注描述，液相对气相的干扰以附加源项的形式卅现在描述气相的偏微分方 程组中，燃油从喷嘴中喷出直至燃烧，经历一系列复杂的物理化学过程，研究中 分别采用的模型描述如下。 第二章计算软件及模型介绍 2 2 1 拉格朗日多相流基本方程 3 2 】 1 扩散相的基本守恒方程 ( 1 ) 动量守恒方程 m a _ d u d ：一f + + + 一f(21drp a m f b1 ) 了= + ，+ ，+ ( 2 - ) 式中m d 为液滴质量，4 u a 为液滴速度，一f 咖为液滴阻力，f ，为压力，一f 。为 名义质量力，瓦为体积力。分别定义为： 一f 咖= l c d p a du u d i ( 二一云d ) 式中白为阻力系数，以为液滴横截面积，云为气体速度。 p ：一巧跏瓜 式中为液滴体积，勋为流体压力梯度，p 包括任何静压分量。 一f 。：一户屹掣 式中c 口。为名义质量系数，通常设为o 5 【2 0 1 。 瓦= m 。吕+ 历仁；) + 2 ( _ u 。 ! l 式中；为重力加速度矢量，历是旋转角速度矢量， 为到旋转轴的距离矢量。日 式中x 。为液滴位置矢量。 ( 2 ) 质量守恒方程 d m - d ：一4 d t 3 图2 1 拉格朗日液滴运动 ( 2 2 ) 式中4 为液滴表面积，对于这种蒸发中单一组分的液滴巴表示为： c 一4 蜓加矧 式中蜓为质量输运系数，p t 、p v 。、p v , s 分别为气体压力、液滴周围压力及液滴 表面压力。 亟衍 i l d 一“ 第二章计算软件及模型介绍 ( 3 ) 能量守恒方程 业趔=一4口a+hf窖dmadt j g d t a 51 ( 2 3 ) 式中4 为液滴表面积，勺，。为液滴比热，为汽化潜热，表面热流量 q 。”= 厅仍一t ) ，h 为传热系数。 2 连续相基本守恒方程 ( 1 ) 连续方程 鲁+ 考咖房一专网一z n k t h k ( 2 ) 动量方程 ( 2 4 ) 昙h ) + 毒k ) = 一詈+ 鲁+ 魄，+ 店k v 概 + 啦+ 一毒0 丽+ 两+ _ 而+ 而)。2 剐 + z m i 砖k ( n k v l a 一n k y i ) 一v 蕊一丽 一z m 。磊一z v i n k t h k ( 3 ) 能量方程 昙泐) + 专班南( 五考) - 吼+ g + 五s 一矗，2 t 砌t 一h 历t - r h k n k h 一 j _ l j 一“ 一若0 丽+ b p h + 五两+ 而) ( 4 ) 组分方程 矗yn k r h 女 j r 一 一昙网 泣6 ， 昙) + 毒i ) 2 毒( 却考 - 比+ 吼赢 。2 j ， 一专c d 两+ i 两+ _ 万+ 丽) 一而一昙两 方程( 2 4 ) ( 2 7 ) 是气液两相湍流流动情况下连续相的一般描述，即扩 散相对连续相的影响以源项的形式耦合进连续相基本守恒方程。 1 3 第二章计算软件及模型介绍 2 2 2r n gk 湍流模型跚 r n gk 一模型是i 扫y a k h o t 和o r z a g 提出的，在r n gk 一模型中，通过在大 尺度运动和修正后的粘度项体现小尺度的影响，而使这些小尺度运动有系统地从 控制方程中去除。r n gk 模型在形式上与标准k 模型相似，但是r n g k e 模型通过修正湍动粘度，考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况，较标准k 模型有更广泛的应用范围，并且计算的准确性和可靠性显著提高。因此，针 对内燃机工作过程高压缩性、强瞬变的特征，本文采用r n gk e 湍流模型3 7 1 。 ( 1 ) 湍流能量方程 昙( 纠+ 丢( 廊一告蔷) = 川叫一声一詈( 肛罢+ 肪) 筹c 2 埘 ( 2 ) 湍流耗散率方程 昙( 胪) + 丢( p 矗一丝o k 塞) = 巳。丢p 一弘0 魂u _ _ 2 + , , l 恻o u , 1 坞妻一b ( 2 9 ) 其中， s 2o u i 叫s 2 p 弋“s 4 p 苌一 2 2 3 柴油机喷雾过程子模型 l + 励3 k 刁兰s