（动力机械及工程专业论文）汽油机sihcci混合燃烧的仿真研究.pdf

孀审： 了i 团艾 均质压燃( 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 , h c c i ) 作为一种高效、 低排放的新型燃烧方式，受到了内燃机研究领域内的广泛关注。但其运行工况范 围狭窄、燃烧模式切换等应用难点，成为工程应用的瓶颈。而在h c c i 和传统的 火花点火燃烧( s i ) 两种燃烧模式之间还存在着一种同时兼具两者特点的燃烧方 式，即s i h c c i 混合燃烧，这种燃烧可以视作s i 燃烧和h c c i 的混合体。在h c c i 失 火限，可以通过引入火焰引燃实现稳定燃烧：在爆震限，利用前半程的火焰传播 过程减慢放热速度，实现柔和的燃烧，并可顺利完成向大负荷s i 燃烧的过渡。但 是这种燃烧也因为同时具有两种燃烧的特性，而变得复杂。若要将其在实际中应 用，必须揭示其内在燃烧机理和重要的外部影响因素，因此，开展s i h c c i 混合 燃烧过程的三维仿真研究显得尤为迫切。 本文以一台装配全可变气门机构的气道喷射单缸s i h c c i 发动机为原型建 立计算模型。为适应s i h c c i 混合燃烧过程的模拟，发展了e c f m 一3 z ( e x t e n d e d c o h e r e n tf l a m em o d e l 3z o n e ) 燃烧模型，并确定了燃烧模型的重要参数，多组 仿真结果与实验的验证表明发展后的e c f m 一3 z 燃烧模型能够反映实际s i h c c i 汽油机燃烧的燃烧过程。 在此基础上研究了外部控制参数( 火花点火、进气温度和冷却水温等) 对 s i - h c c i 混合燃烧的影响，主要结论如下：点火时刻靠后，缸内主要以s i 燃烧 为主，很难触发h c c i 燃烧。点火时刻提前到一定程度时，缸内才会发生s i h c c i 混合燃烧时。在不同的废气率下，点火时刻对混合燃烧的结果不同。4 0 废气率 下点火时刻对于混合燃烧控制作用微弱；废气率( 3 0 ) 下点火时刻对混合燃烧 的控制作用最为明显；废气率( 2 0 ) 下需要有更早的点火时刻才能实现s i h c c i 混合燃烧。而缸内的流场变化和燃烧过程密切相关，较早的点火时刻提高了缸内 的湍动能，从而提高了h c c i 燃烧的比例。此外，研究通过改变进气温度和冷却 水温度来调节缸内的温度条件，结果显示进气温度提高会均匀的提高缸内所有区 域的温度，同时加快整个燃烧；而冷却水温的提高会使气缸中心温度提高较少， 四周温度提高较多，更能触发h c c i 的着火燃烧。通过对双火花塞的研究发现， 双火花塞燃烧放热速率明显快于单火花塞的放热速率，有效地缩短燃烧持续期。 关键词：s i - h c c i 混合燃烧e c f m 一3 z 火花点火 a b s t r a c t h c c i ( 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 ) g a s o l i n ee n g i n eh a s r e c e i v e dw o r l d w i d ea t t e n t i o ni nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r yd u et oi t sl o w t e m p e r a t u r e c o m b u s t i o n ，u l t r a l o wn o x e m i s s i o n sa n dh i g ht h e r m a le f f i c i e n c y h o w e v e r , s e v e r a l t e c h n i c a l i s s u e sm u s tb ea d d r e s s e db e f o r et h ec o n e 印tb e c o m e sar e a l i s t i ca p p l i c a t i o n i np r o d u c t i o ne n g i n e s o n eo ft h em a i ni s s u e si st h ed i f f i c u l t yi nm o d et r a n s i t i o na n d n a l t o wo p e r a t i o nr a n g e b e t w e e ns ia n dh c c i ，t h e r ei sad u a lc o m b u s t i o nm o d eo f s i h c c i i t sc h a r a c t e rh a sb o t hs ia n dh c c ic h a r a c t e r w h e nh c c il o s tf i r e ，w ec a n i n t r o d u c es it og e ts t e a d yc o m b u s t i o n w h e nk n o c k i n g ，i tw i l lc o n s u m ef u e lt or e d u c e h e a tr e l e a s e ，a n dw ec a ng e ts o f tc o m b u s t i o n i ti sc o m p l e xb e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i f p u ti ti n t op r a c t i c e ，w em u s tu n d e r s t a n dh o wi t si n t e m a la n de x t e r i o rf a c t o re f f e c t s o ， i ti sn e c e s s a r yt os t u d ys i h c c ih y b r i dc o m b u s t i o nw i t hc f d i nt h i sp a p e r , 3 - ds i m u l a t i o nw a sc a r d e do u tb a s e do nag a s o l i n ee n g i n e e q u i p p e dw i t h4 w a s ( 4v a r i a b l ev a l v es y s t e m ) t os i m u l a t es i - h c c ih y b r i d c o m b u s t i o n , e c f m 一3 z ( e x t e n d e dc o h e r e n tf l a m em o d e l 3z o n e ) c o m b u s t i o nm o d e l h a sb e e nd e v e l o p e d a n di t si m p o r t a n tp a r a m e t e r sh a v eb e e ng i v e n c o m p a r i n g s e v e r a ls i m u l a t i o nr e s u l t sw i t he x p e r i m e n t i ti ss h o w nt h a tt h ed e v e l o p e de c f m 一3 z c o m b u s t i o nm o d e lc a nd e s c r i b es i h c c ic o m b u s t i o ni ng a s o l i n ee n g i n e c f ds i m u l a t i o ns t u d yt h em a i nc o n t r o lp a r a m e t e r se f f e c to nt h es i h c c i c o m b u s t i o n , s u c ha ss p a r ki g n i t i o n ，i n t a k et e m p e r a t u r e ，c o o lw a t e rt e m p e r a t u r e 1 1 1 e m a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ：w h e nt h ei g n i t i o nt i m i n gi sr e t a r d e d s ic o m b u s t i o n m o d eh a p p e n e di nt h ec y l i n d e r , a n dc o m b u s t i o nd u r a t i o ni sl o n g 珊l e l la d v a n c i n gt h e i g n i t i o nt i m i n g ，s i h c c ih y b r i dc o m b u s t i o nh a p p e n e d u n d e rt h ei n t e r n a lr e s i d u a l r a t eo f4 0 ，t h ei g n i t i o n t i m i n g h a v el i r l ee f f e c tc o m b u s t i o nt i m i n ga n ds i c o m b u s t i o nr a t e ；u n d e rt h ei n t e r n a lr e s i d u a lr a t eo f3 0 ，t h ei g n i t i o nt i m i n gc a n c o n t r o ls i - h c c i ，w h e na d v a n c i n gt h ei g n i t i o nt i m i n g ，c aioa d v a n c e da n ds i c o m b u s t i o nr a t ei sd o w n u n d e rt h ei n t e r n a lr e s i d u a lr a t eo f2 0 s i h c c ih y b r i d c o m b u s t i o nn e e d sm o r ea d v a n c e di g n i t i o nt i m i n g 1 1 1 ef l u e n tf i e l dh a sr e l a t i o nw i t h c o m b u s t i o n e a r l ya d v a n c e di g n i t i o nt i m i n gc a ne n h a n c et h eh c c ir a t e ，a n de n h a n c e t h et u r b u l e n c ee n e r g y t h e n , i n t a k et e m p e r a t u r ea n dc 0 0 1w a t e rt e m p e r a t u r ea r e c h a n g e dt oc h a n g et h et e m p e r a t u r ei nt h ec y l i n d e r f i n dt h a ta d v a n c i n gt h ei n t a k e t e m p e r a t u r ew i l la d v a n c ea l lt h ef i e l d si nt h ec y l i n d e r , q u i c k e nb o t hs ia n dh c c i b u t a d v a n c i n gt h ec o o lw a t e rt e m p e r a t u r ew i l la d v a n c et h ef i e l d sa r o u n dt h ec y l i n d e r m o f et h a nt h ef i e l d s i nt h em i d d l e ，a n dq u i c k e nh c c im o r e l a s t ，c o m p a r ew i t h s i n g l es p a r kp l u g ，d u a ls p a r kp l u gc a l lq u i c k e nh e a tr e l e a s ea n ds h o r tt h ec o m b u s t i o n d u r a t i o n k e y w o r d s ：s i - h c c i ，h y b r i dc o m b u s t i o n , e c f m 一3 z ，s p a r kp l u g 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，也不包含为获得苤洼盘鲎或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我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：囊菇汝9 日 签字日期： 弘口9 年占月午日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权苤鲞盘鲎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： 协蜩 导师签名： 签字日期：7 年 月中日 签字日期：厶日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 内燃机自诞生一百多年来，随着燃烧技术的进步而不断完善。现今的内燃机 已经成为热效率最高，比功率最高的热力机械。内燃机在动力性、经济性、可靠 性等方面的优势使其成为工农业生产和交通运输中应用最广泛的动力机械。目 前，全世界的保有量已经高达十几亿台。但是，内燃机在给人类经济活动带来便 利的同时，也在全世界范围内给人类社会带来了负面的影响【1 】。 国际能源机构的统计数据表明，2 0 0 1 年全球5 7 的石油消费在交通领域，预 计至1 j 2 0 2 0 年交通用油占全球石油总消耗的6 2 以上。作为原油净进口国，我国的 能源问题就更加严峻。据国务院发展研究中心估计，至l j 2 0 1 0 年我国石油消耗的 6 1 要依赖进1 3 ，而汽车的石油消耗将占国内石油总需求的4 3 【2 】。近年来，我 国汽车工业迅猛发展，汽车保有量的迅速增加，内燃机石油消费量也在迅速增加， 石油供需矛盾必将日趋严重。最新统计数字表明我国已经是世界石油资源消耗第 二大国引。 汽车尾气污染问题越来越受到世界各国政府的重视。在汽车保有量急剧增加 的大背景下，我国环境保护的形势格外严峻。我国城市的大气污染己相当严重。 当前已有5 7 的城市总悬浮颗粒物超过国家环保限值，4 8 个城市的二氧化硫浓度 超过国家二级排放标准，8 2 的城市先后遭到不同程度的酸雨危害。6 0 0 多个城 市中，大气环境质量符合一级标准的不到1 。国家环保局的数据显示，全世界 2 0 个大气质量最差的城市中，中国占了1 6 个 4 1 。环境监测数据分析表明，在这些 污染物中除烟尘和二氧化硫外，汽车尾气排放已成为大气污染的重要污染源。 如前所述，迫于石油资源枯竭和汽车排放对大气环境造成严重危害两方面压 力，世界各国政府都先后通过各种法律法规的形式对汽车市场进行规范，积极鼓 励清洁、高效产品的研究与使用。开发环境友好、节能、低排放的柴油机燃烧技 术成为内燃机界的研究目标。 进入2 1 世纪以后，“均质充量压缩着火( h c c i ) 或“可控自燃( c a i ) ”燃 烧被广泛认同是往复活塞式内燃机上一种全新的燃烧过程 5 】。h c c i 燃烧过程是 燃料、空气及缸内再循环燃烧产物所形成的均质混合气在压缩上止点附近达到着 火条件而多点自燃着火、做功的过程。其基本特征是均质、压燃和低温火焰燃烧。 第一章绪论 这种燃烧过程介乎于传统汽油发动机火花点火s i 燃烧和柴油发动机压缩着火c i 燃烧过程之间，具有传统火花点火汽油机的均质混合特质，同时具有传统压燃柴 油机的高效率，因此具有实现高效、低排放的巨大潜力【6 】。 由于这一新型燃烧技术在内燃机节能和降低排放方面显示出的巨大潜力，在 上个世纪9 0 年代后期引起了全世界内燃机界的高度关注，国内外著名研究机构及 高校都在积极开展新一代内燃机燃烧控制理论和控制技术的研究。美国能源部 2 0 0 1 年提交国会的报告指出，h c c i 是内燃机燃烧技术的一个重大进步，它将代 替目前的车用压燃式和点燃式发动机，预计在2 0 1 0 年h c c i 发动机将在轻型客车 上得到应用，至u 2 0 1 5 年使用h c c i 发动机每年可以节省原油5 0 万桶【7 】。因而开展 这一领域的研究具有重要的理论意义和现实意义。 尽管h c c i 燃烧具有上面所提到的高热效率和低排放的优点，然而，要使 h c c i 在内燃机中得到广泛的应用，还有许多理论和工程问题需要解决，概括起 来主要体现在以下几个方面【8 】【9 】0 0 ： ( 1 ) h c c i 着火时刻的控制 与传统火花点火汽油机和柴油机不同，h c c i 燃烧过程中着火时刻不受火花 点火或喷油的直接控制，而是由空气和燃料所组成的混合气的自燃点火的化学反 应决定。在大范围的转速和负荷内，尤其是在快速的瞬态工况下，h c c i 发动机 着火时刻的控制成为h c c i 发动机面临的主要挑战。 ( 2 ) h c c i 发动机运行范围的拓展 h c c i 燃烧是均匀混合气的压燃着火，燃烧几乎是同步进行，h c c i 发动机 在中低负荷可以很好地运行。但是在高负荷工况时，由于混合气加浓，导致燃烧 速度过快，压力升高率过大，燃烧过于剧烈，会发生爆震现象。同时由于燃烧温 度升高也会导致n o x 排放过高，所以h c c i 发动机存在向大负荷扩展难的问题； 另外，在低负荷、低转速工况时，由于燃烧反应速度过慢引起燃烧温度过低，难 以形成稳定的着火条件，着火困难，导致燃烧不充分，形成大量的未燃烧产物， 燃烧效率低，有害物排放增加，在怠速工况容易出现“失火”。基于上述原因，h c c i 燃烧被限定在一个有限的运行范围内。因此，h c c i 发动机运行工况范围的拓展， 就成为h c c i 燃烧实用化的一个关键问题。 ( 3 ) h c c i 发动机的冷启动困难 在冷启动工况，h c c i 发动机混合气在压缩过程的温度较低，而且由于燃烧 室壁面较冷，传热会使压缩过程中混合气温度进一步降低。对于由化学反应动力 学决定的h c c i 燃烧过程来说，温度是最敏感的参数，温度过低将会导致发动机 失火，使冷启动困难。 针对以上问题，企业和高校展开了研究。在h c c i 燃烧控制方面，g m 在一台 第一章绪论 g d i 发动机上，利用缸压反馈的方法去控制h c c i 的燃烧过程，得到了很好的效果 【1 1 1 。伯克利大学在一台使用双燃料的增压发动机上，利用离子流信号反馈的方法 控制了h c c i 的燃烧 12 1 。尽管如此，即使h c c i 控制的问题能够很好的解决，h c c l 只能工作在部分工况。为解决这一问题，m i l o v a n o v i c 等人 1 3 】在一台单缸实验发 动机上通过控制冷却水温来拓展h c c i 燃烧的工况范围。研究结果表明，降低冷 却水温，可以拓展h c c i 燃烧的负荷上限；提高冷却水温，可以拓展h c c i 燃烧 的负荷下限。c a i r n s 等人【1 4 】在一台多缸h c c i 汽油发动机上采用内部与外部残余 废气再循环相结合的控制策略拓展h c c i 燃烧的负荷上限。研究指出，在当量空 燃比的条件下，基于内部e g r 的h c c i 负荷上限会受到高的压升率和爆震的限 制，引入外部e g r 可以推迟着火、降低燃烧放热率，提高发动机负荷。s u n 等 人【l5 】根据实验研究的结果指出，通过增压的方式也可以拓展h c c i 的运行工况范 围。 但是，即使h c c i 运行工况被扩大到一个较大的区域，也不可能覆盖实际驾 驶循环所要求的工况范围。现在普遍认同的一种方法就是采用s i h c c i 混合燃烧 模式的解决方案，即把传统的s i 和h c c i 联合起来运用。 1 2s i h c c i 混合燃烧的基本概念 s i h c c i 混合放热燃烧模式是介乎于传统火花点燃( s i ) 燃烧过程和均质压 燃( h c c i ) 过程之间的一种混合燃烧方式。其最为明显的特征就是累积质量燃 烧率( m f b ) 曲线的开始前半部分( s 到t 段) 的斜率较小，而后半部分( t 到 h 段) 的斜率较大，在这两段之间存在一个拐点( t 点) ，如图1 1 所示。这是 与燃烧过程对应的，首先可燃混合气被火花点燃，并以s i 燃烧开始缓慢放热， s 到t 段斜率很小。这时，燃烧室被火焰前锋分割成两个区域( 未燃区和已燃区) ， 如图1 2 所示。当缸内混合气被已燃混合气挤压到符合h c c i 燃烧的条件( 主要 是未燃区内温度达到自燃温度) 时，缸内未燃区内部产生多个火核，达到多点同 时着火，燃烧过程变为c a i 燃烧，因而t 到h 段斜率很大【】6 1 。图1 3 通过高速 摄影照片给出了s i h c c i 混合放热燃烧模式的燃烧过程。 # 日f a 7 mr 圈卜1 $ i - t i c c i 混合燃烧过程目卜2 $ 1h c c i 混合燃烧过程示意国 ( 区j 圉卜3s ih c c i 混合放热燃烧过程2 0 0c a dn w 0 s p a r kt i 口i n g 一2 l a t i c i 1 3 混合燃烧的主要影晌参数 s - h c c i 混合放热燃烧模式燃烧过程i 绀期与传统火花点火燃烧过程相似，后 期类似于h c c i 燃烧过程。这种燃烧过程需要火花点火的辅助引燃阁围部分混 合tl 为后期压燃创建初始条件m i 。s i h c c i 混合放热燃烧过程会存| 三【下工况条件 f 发牛： 1 发动机咀低负荷逗行时的h c c 失火边界u ”。： 第一章绪论 2 受爆震限制的h c c i 大负荷边界 2 0 , 2 1 ； 3 燃烧模式过渡过程之中【2 2 2 3 川。 图1 4 和图1 - 5 分别显示了s i 。h c c i 模式过渡过程中累积质量燃烧率的变 化情况。可以看出在火花辅助点火的模式过渡过程中，由于气缸内残余废气率从 高到低或是由低到高逐步变化的，因此存在着这样特殊的燃烧循环( 图1 4 中的 第2 2 循环和图1 5 中的第2 1 循环) ，循环中所对应的残余废气率介于典型的s i 燃 烧和h c c i 燃烧所需要的残余废气率之问( 2 0 至1 1 4 0 ) ，使得它们的燃烧模式 ( 放热率和累积质量燃烧率的形状) 既有的s i 的燃烧模式特征，也有h c c i 的 燃烧模式特征，所以对s i 燃烧有影响的参数会对s i h c c i 混合燃烧过程产生影响， 对h c c i 燃烧产生影响的参数必然也会对s i h c c i 混合燃烧过程产生影响。 曲轴转角( ) 图1 _ 4h c c i - s i 模式过渡中肝b 的变化 鬟 、一 髓 蝮 鬟 耀 鼹 去 臻 曲轴转角( o c a ) 图1 - 5s i - t t c c i 模式过渡中m f b 的变化 为此，本文将开展诸多参数对s i h c c i 混合燃烧过程控制的研究。在s i 燃 烧模式中，火花点火是一个主要控制量；h c c i 是受化学反应动力学控制的燃烧 模式，温度条件对其影响较大。以上这些参数对于s i h c c i 混合燃烧过程的影响 就值得探究。 但是内燃机中燃烧过程的研究向来不容易，限于实验条件、测试技术及试 验仪器的限制，实验研究也有其局限性。对于s i h c c i 这一新型燃烧模式的研究， 尤其是汽油机s i h c c i 燃烧，需要特殊的试验装置( 如可变气门机构) ，在面对 多参数( 如气门定时、气门升程、冷却水温、进气温度等) 可变的情况下，如何 根据发动机工况要求进行各控制参数的合理调整是实现发动机可控自燃的关键 所在。如果单纯依靠试验进行控制策略的研究将会是一项繁琐而沉重的任务，不 仅费时费力，而且单一参数对燃烧过程的影响也难以研究。 c f d 提供了一种简单有效的手段，不仅可以得到s i h c c i 燃烧过程的燃烧 相位，燃烧持续期等参数，并可以展开对燃烧过程中流场的研究，甚至可以开展 第一章绪论 多个火花塞对于燃烧过程的研究。所以本文需要借助c f d 手段来进行s i h c c i 混合燃烧的研究。 但是现有的三维燃烧模型中还没有一个现存可用的燃烧模型，为此，需要选 择合适的燃烧模型对其改进来实现对s i - h c c i 混合燃烧的模拟。 1 4 混合燃烧的仿真模型 内燃机燃烧领域中燃烧模型的开发研究一直是仿真模拟的焦点。 p e t e r s 的火焰模型【2 5 1 ，反应率被列成关于燃料在不同混合质量分数空间的层 流火焰中消耗率的表。平均反应率通过对整个区域内可能消耗的区域求积分。在 选择这些区域时，对不同的混合物分数采用了p d f ( 概率密度公式) 。 e p f m ( e u l e r i a np a r t i c l ef l a m e l e tm o d e l ) 模型【2 6 j 可以在一个火焰模型中同时 考虑一群不稳定火核的影响，并行计算时，n s 流动方程也可以通过c f d 代码 解决。并且可以模拟越( 自燃点火) 和d f ( 扩散燃烧) ，但是混合和燃烧是通过 平均值计算的，因为火焰模型就是基于平均值的算法。这个模型不适用于火焰传 播的模拟，并且随计算火核增多，c p u 成本快速增加。 w e l l e r 模型【2 7 j 是一个火焰表面密度模型，用于汽油机的s i 模拟，不能模拟 h c c i 过程的自燃着火。 用于模拟s i h c c i 混合燃烧过程模拟的燃烧模型，必需能够同时模拟火焰传 播( p r o p a g a t i o nf l a m e ) 和h c c i 的自燃着火( a u t oi g n i t i o n ) 。e c f m 一3 z ( e x t e n d e d c o h e r e n tf l a m em o d e l 一3z o n e ) 燃烧模型1 2 s 】就能满足这种需要，它基于c f m 模型 发展而来，可以用来预测汽油机的火焰传播模拟，也可以用来模拟h c c i 的自燃 着火，是一个可以用以模拟现有的各种燃烧模式( 火焰传播，自燃着火，扩散燃 烧) 的普适燃烧模型。但是，e c f m 一3 z 的压燃模型中没有考虑火花点火这一项， 需要对它进行改进。 1 5 本课题的研究内容和意义 h c c i 的燃烧相对于传统的点燃式、压燃式燃烧都有其明显的优势，将h c c i 燃烧方式应用于各种车辆，将是一种改善燃油经济性、减少排放污染的可行方案。 但运行工况狭窄、着火时刻不能直接控制等问题，又成为h c c i 燃烧方式由理论 研究到工程应用的瓶颈。除了采用火花辅助点火、外部废气再循环以及增压等技 术手段拓展h c c i 燃烧大负荷边界和提高小负荷稳定性外，采用s i h c c i 混合燃 烧方案是目前解决h c c i 燃烧运行工况狭窄的有效途径。 6 第一章绪论 s i h c c i 混合燃烧过程既有s i 燃烧模式的特征，又有h c c i 燃烧模式的特征， 所以对s i 或h c c i 有影响的参数都会对s i h c c i 混合燃烧过程产生影响。本文利用 c f d 手段开展诸多参数对s i - h c c i 混合燃烧过程的研究工作。主要工作如下： 1 改进e c f m 3 z 燃烧模型，以适用于s i - h c c i 混合燃烧的模拟，并与现有的试 验数据进行标定，校准改进的模型； 2 进行不同废气率下控制参数( 如火花点火时刻等) 对于s i - h c c i 燃烧过程的 研究，分析火花点火时刻对于燃烧相位、燃烧持续期、s i 燃烧比例以及燃烧 过程中缸内流动的影响； 3 研究进气温度和冷却水温等参数对s i h c c i 燃烧过程的影响； 4 研究一个火花塞和两个火花塞对于混合燃烧过程的不同影响作用。 7 第二章s i h c c i 混合燃烧三维仿真平台 第二章s i - h c c i 混合燃烧三维仿真平台 本研究以天津大学开发的h c c i 汽油机为原型建立计算模型。该发动机采用 了一套全可变气门机构，可以独立连续调节进气门升程、相位和排气门的升程、 相位，通过进排气门升程和相位的调节，实现对缸内残余废气的管理，实现 s i h c c i 燃烧。本文应用s t a r - c d 软件进行展开模拟研究工作，下面对模拟研 究中应用到的各模型进行介绍。 2 1s t a r - c d 简介【2 9 】 s t a r - c d 为通用流体分析软件，它是基于有限容积法的通用流体计算软件， 在网格生成方面，采用非结构化网格，单元体可为六面体，四面体，三角形界面 的棱柱，金字塔形的锥体以及六种形状的多面体，还可与c a d 、c a e 软件接口， 如a n s y s 、i d e a s 、n a s t r a n 、p a t r a n 、i c e m c f d 、g r i d g e n 等。 s t a r c d 能处理移动网格，用于多级发动机的计算，在差分格式方面，纳 入了一阶迎风模式、二阶迎风模式、c d s 、q u i c k , 以及一阶迎风模式与c d s 或 q u i c k 的混合格式，在压力耦合方面采用s i m p l e 、p i s o 以及称为s i m p l o 的算法。在湍流模型方面，有k - 、r n k k e 、k - e 两层等模型，可计算稳态、非 稳态、牛顿、非牛顿流体、多孔介质、亚音速、超音速、多项流等问题。 s t a r c d 的强项在于汽车工业，汽车发动机内的流动和传热。 s t a r - c d 采用基于完全非结构化网格和有限体积方法的核心解算器，具有丰富的物理模 型、最少的内存占用、良好的稳定性、易用性、收敛性和众多的二次开发接口。 2 2 几何模型 仿真计算中所使用的发动机为蓬顶，四气门汽油发动机，计算网格来源于 e s i c e 工具包，最大网格数大约7 8 0 0 0 ，可计算区域分为三部分，包括半缸，以 及进、排气道各一个，可以反映进气前回流和后回流的详细情况。气缸体、气道 形状以及发动机部分参数如图2 1 和表2 1 。 第二章s i h c c l 月台燃烧i 维真十自 2 3 数学模型” 匿2 l 发动机嗣格 袭2 _ 1 发动机楼墅基本参数 缸径( n u n ) 9 0 冲程( r r l i n ) 8 7 压缩比 l o2 3 l a m a b d al 进气压力自然吸气 节气门开度w o t 2 3 1 基本守恒方程 1 质量守恒方程 可压缩流体的质量守恒方程的笛卡儿坐标系张量形式为： 0 0 a + _ ( p u ，1 _ 5 。 删血 f 2 - 1 ) 其中t 为时问，p 为密度，为笛卡儿坐标( ，= i ，2 ，3 ) ，q 为流体在。方向 的绝对速度分量，为质量源项。 2 动量守恒方程 可压缩流体的动量守恒方程的笛卡儿坐标系张量形式为： 第二章s i h c c i 混合燃烧三维仿真平台 百o p u i + 毒戌1 ) - 一毒q ( 2 _ 2 ) 其中p 为表压力，勺为应力张量分量，s ，为动量源项分量。 3 能量守恒方程 流体之间的传热遵循能量守恒方程： 百a p h + ( p h 咿) = 老坞考坞瓦0 i 蝇 ( 2 _ 3 ) 这里五为静态焓，是热焓和化学反应焓的总和： h = 一c ；瓦+ z r h 。瑚，+ z v o h 。( 2 - 4 ) 其中z 为温度，匕为组分m 的质量分数，q 为组分m 的生成热，c p 为温度丁下 的平均定压比热，c ；为温度瓦下的参考比热，为焓在_ 方向上的扩散通量， 为能量源项分量， r 为热焓，在没有化学反应的情况下，h 2 h t 。 4 气体状态方程 气体密度通过状态方程求解： p = 州；辛 ， 浯5 ) 其中m m 是组分所的分子量，匕是组分m 的质量分数，r 是通用气体常数。 2 3 2r n gk 一湍流模型 内燃机缸内气体流动是极其复杂的三维湍流运动，具有强瞬变性、强压缩、 强旋转和各向异性等特点。由于缸内气体流动的湍流特征，在动量方程里面出现 的雷诺应力项和能量方程中的湍流扩散项，需要引入湍流模型使控制方程组封 闭。鉴于内燃机缸内气体流动的特性，在本研究中采用较适合于高雷诺数、强变 密度流计算的r n gk 一双方程模型。 1 湍流能量方程 去昙嘛) + 丢( p 盈一鲁篆) = 肚护+ n ，一肛一詈( 肛筹+ 肚) 詈c 2 删 2 湍流耗散率方程 1 0 第二章s i h c c i 混合燃烧三维仿真平台 击昙( 廊) + 毒( 面一告塞) = 巳。昙i 尸一詈( 肛罢+ 肚) 期+ 。妻“弓 s 20 u - s 2 p i + s 4 p 毛意一 这里 ，k ，7 羞3 一 s s - ( 2 s o s 0 7 7 2 l + f l r 3 k ( 2 - 7 ) n o 和3 为经验系数，其值如表2 - 2 所示。 表2 - 2i 潲k s 湍流模型系数 ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ! 艇! ! ! ! 墨生!生2生生!墨垒翌q旦 0 0 8 5 0 7 1 9o 7 1 9 0 90 9 1 4 2 1 6 80 或1 4 2 o 3 8 70 49 0 ”4 3 80 0 1 2 宰 当最 0 时，c 3 = 1 4 4 ；其它情况e 3 = 0 ； 料 对液力光滑曲面有效。 2 3 3e c f m 3 z 燃烧模型及基本参数配置 同时适用于柴油汽油燃烧模型的e c f m 3 z 在2 0 0 3 年被法国b 6 a r de t 提出。该 模型由e c f m ( c o l i ne ta l ，2 0 0 3 ) 模型发展而来，可以模拟两种燃烧模式a i ( 自燃 点火) 和p f ( 火焰传播) 以及排放生成。在这个模型中，保留了e c f m 中未燃 已燃气体区域的划分及火焰表面密度方程。为了适用于d f ( 扩散燃烧) 和混合 过程，每个网格被划成三个区域：纯燃料区、纯空气j n e g r 区和混合区。这个模 型是可用于三种主要的燃烧模式( a i ，p f 和d f ) 的计算。 “3 z ”表示三个区域的混合，一个网格被划分为了三个区，如图2 2 ： 未混合的燃料l ，； 未混合的空气加上e g r 气体( 两者是未混合氧气：。的函数) ； 混合气体。 第二章s 1 h c c * 台燃烧：雌真平台 。! 竺! ! ! ! 竺竺：! u = u n b u r n e dg a s e sb = b u r n e dg a s e s ( o x i d a t i o n ) ( o x i d a t i o n + p o l l u t a n t f o r m a t i o n ) 圈z - 2e a w 一3 z 眄播内气体分解的示意图 1 火馅表面密度： 假设反应区域与湍流尺度相比很薄，所以湍流对当地的火焰结构没有影响， 而仅在火焰面上感应产生拉伸。当地的火焰表现为层流火焰，当地燃烧速率就可 以通过对一维拉伸层流火焰的分析或通过火焰速度关系式求得。假设化学反应在 瞬间完成，反应速度极快，因而反应区无限薄，其中反应物浓度为霉。 火焰表面密度。遵循如下的传输方程： 旦里+ 甲( p v “) 一v p 堂生v f 书一糍u 每一q 三i - c ，z 心。1 。 其中t 什1 = 是过程变量， j r ， ；= 1 - 二上是雷诺平均过程变量， 舭t “层流火焰速度，见公式( 2 - 1 1 ) ， 燃料质量分数， 耳，燃料变化过程中的质量分数， a 和口生成物产生的经验参数，本研究中口= 16 和口= 1 ， fi t f n s 函数， 第二章s i h c c i 混合燃烧三维仿真平台 u 分子粘度，见表2 - 2 ， 肛= 巳c o p k 2 s 湍流粘度， = t + 以 有效粘度， 成和成 分别为已燃气体和未燃气体的密度， = p o t 火焰表面密度， 仃，r 湍流s c h m i d t 数。 表2 - 2 计算所用分子粘度( k g ，m s ) ic 8 h 1 80 2n 2c 0 2 1 2 0 i 9 4 5 e 一62 0 5 e 一51 7 9 e - 51 4 9 e - 51 2 7 e 一5 2 层流火焰速度： 层流火焰速度通过相关关系式【3 2 】计算： u 哦( 争嗉) 6 ( 1 _ 2 1 k ) 其中，s 。 a 和b p 只和7 0 瓦 x 。 在3 0 0k 和1b a r 下的绝热火焰速度， 经验系数， 绝对压力， 绝对压力( 1b a r ) 和温度( 3 0 0k ) ， 未燃气体的绝对温度， 残余废气的摩尔分数。 3 组分传输方程： 组分传输方程i 遵循： 警+ v 炉v ( 等v 轳品， ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) 其中，戗 o r t ，是各组分i 反应率和s c h m i d t 数值，特别对于燃料质量分数： 警m ( 即h ( l u e 痧v 驴二 其中，( 0 f - ww 成写，厂u 4 燃油蒸发计算： 燃料的质量分数弓为： ( 2 - 1 3 ) 孚m ( 咖h ( 丝o tv 弓) = 二+ 二细 1 4 ) 第二章s i h c c i 混合燃烧三维仿真平台 已燃燃料圪的传输方程为： 警m ( j d 刎如( 等v ) = 二归+ 二 ( 2 - 1 5 ) 其中，国乃的反应率由m a g n u s s e ne b u 模型控制。 5 热函传输方程： 警m ( 咖m ( 等v h ) = 害+ 胪+ 二矗e v a p ( 2 - 1 6 ) 其中，缈一一计算根据液滴蒸发过程。 6 未燃气体的焓： 警m ( 咖h ( 等v 驴旦孚+ 胪+ c o p (2-17)u d t反g h l 7 着火 着火模型根据未燃混合气状态，利用a r r h e n i u s - - t y p e 预测点火延迟【3 3 】。 乃= 0 0 2 2 1 ( 0 2 ) m 5 3 + ( f u e l ) o 0 5 ( p ) 仉1 3 e x p ( 5 9 1 4 1 t ) ( 2 1 8 ) 其中， 点火延迟值( m s ) ， 以氧气浓度( m o l e m 3 ) ， f u e l 燃料浓度( m o l e m 3 ) ， p 密度( k g m 3 ) ， z空气温度( k ) 。 有一个中间量判断点火是否发生，一旦点火发生，混合燃料根据化学特征时间计 算燃烧，火核产生。着火模型已经扩展到包括了冷焰的影响。 8 火焰后的化学计算： c o 和c 0 2 质量分数的计算也采用了化学机理； e r c 碳烟模型【3 4 t 。 9 e g r 构成： 在e c f m 3 z 模型中的e g r 构成有如下组分：n 2 ，c 0 2 ，h 2 0 ，n o ，c o ， h 2 和s o o t 。 l o 衰退模型： 这个模型假设当地的已燃气体温度低于1 2 0 0k 时，火焰消失。这时，衰退 模型把已燃气体转化为e g r 。控制方程的离散。 1 4 第二章s i h c c i 混合燃烧三维仿真平台 2 4 控制方程的离散 目前有很多种离散求解方法，如有限差分法、有限体积法、有限元法等。有 限差分法是最古老的方法，在使用有限差分法时，般需要坐标变换函数的计算 具有一定的精度，这就要求物理坐标系下的网格具有一定的均匀度。如果几何区 域不规则，很难保证网格具有一定的均匀度，某些几何体含有奇点，在奇点附近 网格大小可能发生较大的变化，此时坐标变换函数可能取无限大值。在这种情况 下，有限差分法很难获得相应的精度，但影响缸内流场的气道与燃烧室的基本结 构正是属于这种情况。 有限体积法是以积分型守恒方程为出发点，通过对流体运动的体积域的离散 来构造积分型离散方程。因此，这种方法便于应用来模拟具有复杂边界区域的流 体运动。由于内燃机气体流动计算的计算域边界非常复杂，近年来有限体积法在 内燃机气体流动模拟的数值计算中得到了越来越广泛的应用【3 5 】。因此，本次对四 气门汽油机缸内流场的数值模拟采用有限体积的计算方法。 2 5 数值计算算法 本文中对于速度与压力的藕合采用p i s o 算法，它是p r e s s u r ei m p l i c i t s o l u t i o nb ys p l i to p e r a t o r 的简称，意为利用分裂算子求解压力的隐式法。其基本 思想是利用常微分方程中的预报一校正法，把每一时间步分裂为一个预报步和一 个或多个校正步，在时间差分上仍是全隐式的，故时间步长不受稳定性限制，即 使将空间网格加密时，也无需减少时间步长。p i s o 算法与s i m