（轮机工程专业论文）均质压燃船舶柴油机燃烧过程与NOltxgt排放的数值模拟.pdf

中文摘要 摘要 随着航运业的快速发展，全球营运船舶数量持续增加，船舶柴油机排气中的 n o x 等污染物对大气环境造成的危害愈加严重。从2 0 0 5 年5 月1 9 日起国际海事 组织( i m o ) 的m 砧冲o l 7 3 7 8 公约附则防止船舶造成空气污染规则已经正 式开始实施。为了满足日益严格的排放法规，寻找高效清洁新的燃烧方式已是刻 不容缓的工作。 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 ) 结合了传统火 花点火内燃机和压燃式柴油机的优点，具有效率高、低n o x 排放的潜质，已成为 研究的热点。 本文首先在传统的单区模型基础上建立了正庚烷h c c i 燃烧模型，其特点是将 正庚烷的详细化学反应动力学机理和n o x 生成机理运用到模型中，更加接近h c c i 燃烧的真实过程；然后利用化学动力学计算软件包c h e m k i n 对正庚烷h c c i 船 舶柴油机的燃烧过程进行数值模拟研究。对燃烧过程的模拟发现正庚烷h c c i 燃烧 过程由低温反应区、中温反应区和高温反应区三个阶段构成。在此基础上，对压 缩比、进气温度、进气压力、过量空气系数和转速等参数变化对燃烧过程的影响 做了进一步的探讨。 本文同时结合n o x 生成三因素一缸内温度、氧气浓度及氧气和氮气在高温下 的滞留时间，对正庚烷h c c i 船舶柴油机的n o x 的生成和排放过程进行了较为深 入的研究，也在此基础上探讨了进气温度、进气压力、压缩比、过量空气系数和 转速等参数变化对n o x 生成过程及排放量的影响，并尝试分析了这些运行参数的 改变对n o x 生成三因素的影响。最后本文以所用的柴油机n o x 排放的实际运行数 据为基础，模拟计算了在同等工况下正庚烷h c c i 柴油机的n o x 排放数据，在理 论上证明了h c c i 燃烧方式优良的低n o x 排放特性。 关键词：数值模拟；均质压燃；船舶柴油机；正庚烷；氮氧化物 英文摘要 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ec o m b u s t i o np r o c e s sa n dn o x em i s s i o no fh o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o n i g n i t i o n m a r i n ed i e s e le n g i n e s a b s t r a c t a st h ef a s td e v e l o p i n go fs h i p p i n gi n d u s t r y ，t h en u m b e ro f g l o b a lo p e r a t i o n a ls h i p s i n c r e a s e sc o n t i n u o u s l y a tt h es a m et i m e ，e n v i r o n m e n tp o l l u t i o np r o b l e mc a u s e db y h a r m f u le m i s s i o n se s p e c i a l l yt h en o xf r o mm a r i n ed i e s e le n g i n ei sm o r es e r i o u s a n n e x t om a r p o l 7 3 7 8f o r t h ep r e v e n t i o no fa i rp o l l u t i o nf r o ms h i p sh a sb e c a m e e f f e c t i v eo nm a y19 ，2 0 0 5 a l s om a r p o l 7 3 7 8i sw o r k e do u tb yt h ei n t e r n a t i o n a l m a r i t i m eo r g a n i z a t i o n ( i m o ) i n19 7 3a n d19 7 8 i no r d e rt of i tt h es t r i c t e re m i s s i o n r e g u l a t i o n s ，i tm u s tb et of i n dan e wc o m b u s t i o nm o d ew h i c hi sm o r ee f f i c i e n c ya n d m o r ec l e a n 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 ) h a sb e c o m et h ek e ys u b j e c t ，a s t h eh y b r i do fc o n v e n t i o n a ls p a r ki g n i t i o ne n g i n ea n dc o m p r e s s i o ni g n i t i o ne n g i n e ，i th a s t h ep o t e n t i a lo fv e r yl o we m i s s i o n so f o x i d e so fn i t r o g e n ( n o x ) ，a sw e l la sh i g ht h e r m a l e f f i c i e n c y f i r s t l y an e wn h e p t a n eh c c ic o m b u s t i o nm o d e li se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e rb a s e d o nt h et r a d i t i o n a ls i n g l e - z o n ec o m b u s t i o nm o d e l t h em o d e li sc l o s et ot h er e a l c o m b u s t i o np r o c e s s 、析t ht h ec h a r a c t e r i s t i co ft h en h e p t a n e sd e t a i l e dc h e m i c a lk i n e t i c a n dt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fn o x t h e nt h es o f t w a r ep a c k a g ec h e m k i ni su s e dt o s i m u l a t en - h e p t a n eh c c ic o m b u s t i o ni nm a r i n ed i e s e le n g i n e t h es i m u l a t i o nr e s u l t so f c o m b u s t i o np r o c e s ss h o wt h a tt h en - h e p t a n eh c c ic o m b u s t i o np r o c e s sp r e s e n t st h r e e b u r n i n gp h a s e s t h e ya r el o w t e m p e r a t u r er e a c t i o n ，m i d d l e t e m p e r a t u r er e a c t i o nz o n e a n dh i g h t e m p e r a t u r er e a c t i o nz o n e o nt h i sb a s i s ，t h ei n f l u e n c e so fc o m p r e s s i o nr a t i o v a l e n c er a t i o ，i n t a k et e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，e x c e s sa i rr a d i oa n de n g i n es p e e do n c o m b u s t i o np r o c e s so ft h eh c c ia r ef u r t h e rd i s c u s s e d w h i l ea tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e rp u t sc o m p a r a t i v e l yd e e pr e s e a r c ho nt h et h r e e f o r m i n gf a c t o r so fn o x ：c y l i n d e rt e m p e r a t u r e ，o x y g e nc o n c e n t r a t i o na n dt h er e t e n t i o n t i m eo fo x y g e na n dn i t r o g e na th i g ht e m p e r a t u r e s a f t e r w a r d ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h e i n f l u e n c e so fc o m p r e s s i o nr a t i ov a l e n c er a t i o ，i n t a k et e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，e x c e s sa i r 英文摘要 r a d i oa n de n g i n es p e e do nf o r m a t i o np r o c e s sa n de m i s s i o no fn o x ，a n dt r i e st oa n a l y s e t h ee f f e c to ft h et h r e ef o r m i n gf a c t o r so fn o xw h e nt h e s eo p e r a t i n gp a r a m e t e r sa r e c h a n g e d f i n a l l y ，t h i st h e s i sc a l c u l a t e st h en o xe m i s s i o n so ft h en h e p t a n eh c c i e n g i n ei nt h es a m ew o r k i n gc o n d i t i o n sc o m p a r e dw i t ht h et e s tn o x e m i s s i o n sd a t ao f u s e dm a r i n ed i e s e le n g i n ea n dp r o v e st h a tt h eh c c ic o m b u s t i o nm o d eh a sa ne x c e l l e n t c h a r a c t e r i s t i co fl o wn o xe m i s s i o ni nt h e o r y k e yw o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；h c c i ；m a r i n ed i e s e le n g i n e s ；n h e p t a n e ；n o x 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：垫厦压懋监鹤柴油扭燃缝过程皇塑q x 挂筮的数值攫越：。 除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体 已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 互驻 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 。溉嚣荔稳 均质压燃船舶柴油机燃烧过程与n o x 排放的数值模拟 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 内燃机是当今用量最大、用途最广和最重要的热能动力机械。它所发出的功 率占全世界所有动力装置所发出总功率5 0 以上，占运输动力总功率的9 0 ， 消耗的燃料占石油燃料的6 0 以上。同时，它也是世界上较大的环境污染源， 所排放的有毒废气约占工业废气的一半左右。因此，从节约能源和保护环境的角 度出发，内燃机的使用者及法规制定者对其性能提出了愈来愈苛刻的要求。提高 内燃机的经济性、动力性和降低排放污染一直是当今内燃机研究领域的主要研究 课题。 柴油机的热效率在所有的内燃机中是最高的，具有较高的经济性，因此，柴 油机作为船舶动力_ 直受到欢迎并占据船舶动力制造的绝对优势。然而，船舶柴 油机动力装置废气排放中所含的有害污染物质是不容忽视的污染源。船舶柴油机 气缸排出的气体包括无害成份和有害成份两部分。无害成份是排气的基本组成， 它们是燃油和空气完全燃烧的产物，包括二氧化碳c 0 2 、水蒸汽h 2 0 、过剩的氧 气0 2 及空气中原存在的氮气n 2 ，其中c 0 2 是温室气体，会造成温室效应，使全 球的气候变暖，也需要加以适当的控制；有害成份是不完全燃烧和燃烧反应的中 间产物，包括一氧化碳c o 、碳氢化合物h c 、氮氧化物n o x 、硫氧化物s o x 和 颗粒物p m ( 由碳烟、未燃的燃油和润滑油、硫酸盐等组成) ，它们占废气总量 的比例很小，往往不超过1 5 ，但危害却很大。 由于船舶营运具有流动性的特征，使得船舶柴油机的污染物排放也越来越受 到国际社会的重视。由于传统的点燃( s p a r ki g n i t i o n ，s i ) 和压燃( c o m p r e s s i o n i g n i t i o n ，c i ) 燃烧方式限制，对其污染物降低方面的研究仅能降低一种或几种 污染物，很难同时降低多种污染物的排放。大量的基础研究结果表明，目前船舶 压燃式柴油机和火花点火内燃机，分别在进一步提高燃料利用率和降低有害排放 物生成方面己经达到了极限。于是人们将目光投向了新的燃烧方式一均质压燃 ( 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 ) ，h c c i 燃烧是以均质混合 和低温反应为特征的燃烧方式，采用h c c i 燃烧方式可以同时有效的降低内燃机 第1 章绪论 的几种污染物排放，尤其是n o x 和颗粒物排放，并提高内燃机的循环热效率。 美国、欧洲和日本的一些研究机构和企业都在大力开展这一领域的研究工作， h c c i 已成为目前内燃机燃烧领域的研发热点之一。 1 2h c cl 燃烧方式概述 1 2 1h c c i 发展历程概述 均质压燃即均质充量压缩点火燃烧方式是在进气过程形成均质的混合气，当 压缩到上止点附近时均质混合气自燃着火。在国外，早在2 0 世纪3 0 年代，人们 就认识到均质混合气压缩自燃的燃烧形式在汽油机上存在，但它一直被认为是一 种异常燃烧现象而被抑制。在二冲程发动机上真正有意识应用h c c i 燃烧始于 1 9 7 9 年o n i s h i 等人1 1j 的研究，当时称为a t a c ( a c t i v et h e r m o a t m o s p h e r e c o m b u s t i o n ，活化热氛围燃烧) ，并发现低负荷工况下，在1 0 0 0 r p m 到4 0 0 0 r p m 的转速范围内，a t a c 过程比传统的工作方式有更好的工作稳定性，燃油经济性 和排放性也都有显著的改善，高速摄影显示a t a c 的燃烧呈现出多点自燃的无明 显火焰传播的特征。同年，n o g u c h i 也报告了发生在二冲程发动机上的这种自燃 的燃烧形式，他们命名为t s 燃烧【2 1 ( t o y o t a s o k e nc o m b u s t i o n ) 。他们发现t s 燃烧是在多点同时启动并在缸内迅速扩散，而且这种燃烧启动时的温度和压力比 传统的压燃式发动机低。 随后y o i c h i 和g e n t i l i 等仔细研究了利用内部e g r ( e x h a u s tg a s r e c i r c u l a t i o n ，废气再循环) 在二冲程发动机上实现h c c i 的应用。h c c i 在四冲 程发动机上的应用l l - - 冲程发动机慢，这主要是因为四冲程发动机不像二冲程发 动机那样容易在缸内驻留残余废气。1 9 8 3 年，第一次在四冲私汽油机上实现 h c c i 燃烧方式见于1 9 8 3 年n a j t 的报道【3 】。1 9 8 9 年t h r i n g 等用一j 楔形燃烧室， 压缩比8 ：l 的发动机测出了允许的运行范围，并提出了h c c i 这一描述此燃烧 过程的名词。近几年，a o y a m a 和m a g n u s 等人研究了汽油和代用燃料h c c i 燃 烧控制的方法，m a s e 与y o k o t a 等人研究了柴油h c c i 燃烧的拧t t ! 方法。1 9 9 2 年， s t o c k i n g e r l 4 】等人首次将h c c i 发动机投入实际使用，他们在道路车辆上装了用两 种燃烧模式的发动机，即在高负荷和低负荷时使用火花点火模式，在部分负荷采 均质压燃船舶柴油机燃烧过程与n o x 排放的数值模拟 用h c c i 模式，这些工作深化了对h c c i 燃烧认识，为h c c i 的燃烧控制提供了 经验。 自从h c c i 这种新型燃烧方式的潜力被认识和证实以来已经近三十年了， 研究者们已经做了大量的工作，研究领域扩展到了h c c i 的各个方面。特别是 近几年，由于意识到h c c i 在排放和节能等方面的巨大潜力，加上国际社会的 排放和节能法规的驱动，研究工作取得了极大的进展，正逐渐地呈现出节能与环 保的光明| ； 景。 1 2 2h c c i 内燃机工作原理 h c c i 内燃机是在进气过程中形成均质的混合气，当压缩到上止点附近时均 质混合气自燃着火的燃烧模式，既不同于传统汽油机的火花点火、火焰传播的燃 烧方式，也不同于传统柴油机的以扩散燃烧为主的燃烧方式。在h c c i 燃烧过程 中，空气与燃料混合形成均匀的稀薄混合气，随着压缩过程的进行，气缸内的温 度和压力不断升高，当压缩到上止点附近时，均质混合气多点同时达到自燃条件， 自燃着火燃烧在燃烧室内多点同时发生，大大缩短了火焰传遍整个燃烧室的距 离，因而燃烧迅速。由于h c c i 燃烧是多点同时点火，燃烧速率明显加快，每个 循环燃烧的快慢程度差距不大，燃烧没有局部高温区，无明显火焰传播，燃烧比 较均匀，循环变动减小，因此，内燃机的工作粗暴性和燃油经济性得到改善， n o x 和p m 的形成能够被有效抑止，污染物排放降低5 1 。h c c i 方式很难在全部 转速和负荷下控制着火时间和相位，但h c c i 方式在中低负荷具有较高的热效 率，能明显降低n o x 和碳烟的排放，减少燃烧循环变动。此外，h c c i 燃烧的峰 值压力高、放热率大，但是可运转范围狭窄，稳定工作比较困难。由于它的反应 速率主要受化学反应动力学控制，湍流对其没有直接的影响，所以燃烧控制也比 较困难。 1 2 3h c c i 内燃机燃烧和排放特性 在h c c i 燃烧模式下，由于燃油进入气缸时刻远远早于常规工况，因此大多 数燃料的燃烧表现出独特的二阶段放热特性，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。在第一阶段放热与主放热 第1 章绪论 阶段之间有一个短时间延迟，延迟时间主要由这些反应决定。第一阶段放热是主 放热阶段的焰前反应，焰前反应放出的热量加热了余下的充量，同时余下的充量 继续被压缩，经历短时间的延迟后，余下的充量达到着火条件，几乎同时着火， 使放热率迅速升高，放出大量的热。由于主放热阶段燃烧是多点同时进行的，一 旦开始着火，混合气迅速燃烧且没有可视火焰传播，因此一般认为的完全燃烧仅 由化学动力学控制，不受空气流动强度的影响。由于放热反应在均匀当量比下， 于燃烧室内多点同时发生，因此燃烧没有可辨识的火焰前锋面，也不受火焰层物 理性质的影响。这决定了h c c i 燃烧方式可采用更稀的可燃混合气，经济性更好。 与受扩散控制的压燃方式相比，由于燃烧反应在均匀稀混合气中进行，不受燃油 和氧气混合速率的限制，也没有局部高温反应区，因而n o x 排放比常规的柴油 机下降了9 5 0 0 , , 9 8 ，p m 排放几乎可降为零】。此外h c c i 燃烧接近等容循环， 且分布型低温反应和不发光的燃烧反应减少了对气缸周围壁面的散热，并可利用 较高的过量空气系数，因此h c c i 燃烧具有比汽油机燃烧方式更高的热效率。此 种燃烧方式有望满足未来严格的排放法规以及对节能方面的要求。 虽然h c c i 燃烧只产生很少的n o x 和p m 排放，但通常产生的h c 与c o 比 较高，主要是由于为实现h c c i 燃烧方式而采用的较稀的混合气和较强的e g r 造成的缸内低温，以及预混合方式不可避免的淬熄和缝隙效应。 1 2 4h c c i 内燃机面临的问题与难点 虽然h c c i 内燃机第一次在二冲程汽油机上实现至今已有近三十年时间，但 要使其在实际的产品应用中充分地发挥潜力还要克服很多障碍和困难，目前面临 的主要困难是哺j ： ( 1 ) 能稳定工作的h c c i 工况范围比较窄 h c c i 发动机可以使用多种燃料( 汽油、柴油、天然气、二甲醚、氢气和乙 醇等) ，在一定工况下可以实现稳定运行，得到较好的运行和排放效果，但燃烧 受到失火( 混合气过稀) 和爆燃( 混合气过浓) 的限制，发动机运行范围比较窄。 对于高十六烷值燃料，由于h c c i 发动机燃烧非常迅速，在高负荷工况下混合气 浓度大，燃烧效率极高，压缩自燃时过多的燃料参与燃烧，易发生爆震；对于高 辛烷值的燃料，由于h c c i 燃烧为稀薄燃烧，发动机在小负荷工况下需要很高的 均质压燃船舶柴油机燃烧过程与n o x 排放的数值模拟 进气温度和缸内压力才能实现压燃，而往往由于实际条件的限制，无法很好地实 现，所以可能导致燃烧不完全甚至熄火。 ( 2 ) 燃烧相位难以控制 由于h c c i 是预混合压燃，不能像汽油机一样由点火时刻控制燃烧始点，也 不能像柴油机一样由喷油时间控制燃烧始点，它没有直接控制燃烧始点的措施， h c c i 的燃烧启动和燃烧速率完全由空燃混合气的化学性质和缸内的温度、压力 所决定。如果要对燃烧过程实行控制，就必须采用一些特殊传感器( 如检测缸内 某自由基浓度的传感器) ，而这些传感器当前还很昂贵，可靠性也达不到要求。 目前，控制h c c i 燃烧的方法可分为两类。一类是控制混合气着火前的温度，这 一类方法包括：控制缸内燃油喷射时间、喷水、调节进气温度、采用可变压缩比 和可变气门正时等：另一类是改变燃料本身的燃烧特性，它包括改变燃料的属性 ( 如混合两种不同的燃料或加入燃油添加剂) 、改变空燃比和使用废气再循环。 其中，调节进气温度在实验室中被广泛用来控制h c c i 燃烧过程。可变压缩比和 可变气门正时被认为是比较有前途的实现h c c i 燃烧的方法，但成本较高。应用 较多的另一种方法是混合两种不同的燃料或使用添加剂来改变燃料的自点火属 性，这种方法能在较大范围内实现h c c i 的燃烧过程。但目前一般都同时采用两 种或多种控制方法。 ( 3 ) 均质混合气的制备比较困难 均质混合气的制备和避免燃料与壁面相互作用对实现高燃烧效率、减少未燃 碳烃和颗粒物排放及润滑油稀释很重要。对于挥发性较差的柴油而言，均质混合 气的制备更加困难。燃料进入气缸的方式对发动机特性有很大影响，并决定了可 使用的燃烧控制方法。主要的燃料喷射方法包括进气道燃料喷射、早期缸内燃料 喷射和后期缸内燃料喷射【9 j 。 进气道喷射：这是一种最简单也最常见的方法，即进气门开启时引入燃 油，在进气行程中将混合气喷入气缸，但是这种方法不能用喷射时间来控制燃烧 反应的开始。由于燃料的挥发性以及壁面撞击的影响，采用此法将导致较高的 h c 和c o 排放以及燃油消耗量的增加，较适用于气体燃料或高挥发性燃料。 早期缸内喷射：即在上止点之前向缸内喷入部分或全部燃料。目前这种 第1 章绪论 方法都是以柴油为燃料。采用这种方式，由于柴油密度大，而压缩冲程早期缸内 空气密度较小，高密度的柴油喷入低密度的环境中贯穿度较大，因而燃油撞壁现 象严重，这会降低燃油的雾化与混合程度，进而导致排放增加、油耗上升等问题。 它可使用与柴油机压燃时一样的喷嘴，但通过改变燃油的喷入时间并不能有效地 控制燃烧进程。 后期缸内喷射：将柴油在压缩上止点附近或之后喷入缸内，同时采用大 量预冷的废气再循环，加强涡流和降低压缩比实现点火延迟。最终结果是着火恰 好发生在燃油喷射结束之后。这种方法避免了燃油对壁面撞击，且对燃烧进程有 一定程度的控制，但是由于使用大的e g r 率和低压缩比，缸内可能会存在混合 气分布不均。 此外，h c c i 发动还面临着输出功率密度较低，热量释放速度较快导致较高 的燃烧噪音及冷启动困难等障碍。 1 3h c c i 内燃机数值模拟研究概况 在h c c i 内燃机研究热潮中，数值模拟从一开始就发挥着不可替代的重要作 用。1 9 8 3 年n a j t 和f o s t e r 首先完成了对h c c i 的理论和数值分析，他们将缸内 工质分为未燃燃料和燃烧产物与空气的混合物两部分，前者以分块的形式被后者 所包围，分别用数值方法求解两部分的质量和能量平衡方程，着火过程用s h e l l 模型模拟。这可视为双区模型对h c c i 的首例应用。2 0 世纪9 0 年代末期，h c c i 数值模拟研究发展迅猛，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，国内若干高校新近也开展了该方向的 研究。h c c i 数值模拟在理论和实验方面均取得了很大成果。下面按单区、多区 和多维模型分别予以讨论。 1 3 1 单区模型 2 - 4 , 1 0 , 1 1 】 单区模型将整个燃烧室视为一个压力、温度及各组分浓度完全均匀的反应 器。活塞运动引起的气缸容积的变化使用一个曲柄滑块模型描述。除了壁面传热 作用外，完全忽略缸内流体运动对燃烧的影响。单区模型主要集中研究化学动力 学及其点火和燃烧的影响，由于模型简单，因此所需要的计算时间比较短。 均质压燃船舶柴油机燃烧过程与n 0 x 排放的数值模拟 n a j t 和f o s t e r 最早利用单区模型来协助分析h c c i 发动机的实验工作2 1 。他 们使用s h e l l 点火模型计算着火点，使用一个经验性的单步a r r h e n i u s 燃烧模型计 算燃烧放热率，分析了压缩比、当量比、转速、e g r 、稀释水平和燃料类型对 h c c i 着火与燃烧的影响。 由于单区模型完全忽略缸内的流动过程，因此可以集中研究燃烧过程中缸内 化学反应的历程和燃料成分的影响。利用单区模型，f l o w e 等人讨论了天然气成 分的影响，k e l l y z i o n 等人比较了正庚烷和异辛烷两种不同燃料的着火特性， a n l n e u s 等人研究了氮氧化物的形成机理，m u l e n g a 等人研究了烷烃添加剂对降 低c o 和n o x 排放的作用，w o n g 和d a r i m 分析了循环中残留废气的组分的化学 作用，尧命发等人研究了二甲基醚和天然气双燃料的h c c i 燃烧特性。 由于通过单区模型可以集中反映化学反应动力学的作用，因此单区模型被用 来进行反应机理相关方面的研究。以单区模型为基础，t a n a k a 等人验证了正标准 燃料( p r f s ) 简化反应机理，n a i k 等人评估了汽油替代物的详细反应机理，l r a v s 等人讨论了利用准稳态近似( q s s a ) 对加速化学反应求解的效果。 由于单区模型所需要的计算时间短，通过单区模型可以实现大量不同工况范 围的计算，从而构造h c c i 发动机的运行m a p 图。k u s a k a 等人研究了异辛烷的 h c c i 燃烧，发现在不同压缩比和当量比系统范围内，燃烧可以分为三种类型： 完全燃烧、低温燃烧和失火；s m i t h 等人使用单区模型在不同当量比和残余废气 ( r g t ) 下计算了h c c i 发动机的可运行范围，发现运行范围受部分燃烧、早燃 和高爆压的影响，限制在一个最佳范围内；y a m a s a k i 和i i d a 以正丁烷为燃料， 构造了转速一当量比、进气温度一当量比以及压缩比一当量比自燃着火的m a p 图；a i c h l m a 订等人研究了不同进气温度、进气压力、当量比和压缩比下运行 m 印图。 在单区模型的构造中，主要涉及两个关键问题：初始条件的确定和缸壁传热 模型。 ( 1 ) 初始条件的确定 单区模型对h c c i 发动机的燃烧过程的计算均是由进气门关闭( c ) 开始 至排气门开启( e v o ) 结束，因此需要指定i v c 时的初始条件，即缸内的混合 第1 章绪论 气的平均温度、压力和浓度。目前主要有人为指定、经验公式计算和发动机循环 模拟程序计算三种方式来确定这些初始条件。其中通过发动机循环模拟计算程序 计算缸内的换气过程，可以更准确地提供缸内残余废气量和初始温度等相关信 息，特别是在采用可变气门时( v v t ) 时，通过耦合发动机模拟程序和单区模型 可以完成h c c i 发动机整个循环的计算。 f i v e l a n d 和a s s a n i s 使用一维准稳态流动模型，o g i n k 和g o l o v i t c h e v 利用发 动机循环模拟程序a v lb o o s t ，a g r e l l 等人利用商业发动机循环模拟软件 g t - p o w e r ，x u 等人利用g e s i m 程序以及m i l o v a n o v i c 等人利用l e s 程序分别 计算了换气过程中通过进排气道气体的流动，得到了进气门关闭后缸内气体的压 力、温度和气体组分等相关数据。 ( 2 ) 传热模型 与传统火花点火内燃机和压燃式柴油机不同，h c c i 发动机的着火点和放热 率对进气温度和冷却水的温度非常敏感，因此准确的传热模型对h c c i 燃烧的计 算至关重要。在单区模型计算中，通常忽略辐射传热仅计算对流传热，假定燃烧 室壁面的对流换热系数均相同，通过壁面的热流量由对流换热系数和缸内气体的 平均温度与壁面温度的差决定，对流换热系数通过传热模型计算。 a l o n g 和d a r i m 在计算中使用的是a n n a n d 传热模型，该模型属于最简单的 传热模型，它基于湍流管流相似，通过建立无量纲准则努塞尔数( n u ) 、雷诺数 ( r e ) 和普朗特数( p r ) 的关系式，根据气体属性和特征速度( 选为活塞平均速 度) ，以确定传热系数。当前计算中采用较多的传热模型是w o s c h n i 模型，w o s c h n i 模型对a n n a n d 模型作了改进，加入了缸内气体温度和压力变化对特征速度的影 响。但是c h a n g 等人发现作为w o s c h n i 模型之基础的实验数据取自普通柴油机， 由于其局部燃烧温度很高，产生相当强的辐射效应，但在h c c i 发动机中由于分 布式低温燃烧的特点，辐射效应并不显著，故w o s c h n i 模型对h c c i 发动机有高 估壁面热流的倾向。因此他们对w o s c h n i 模型进行了修正，改动了其中三个系数， 结果发现，修正后的模型在不同负荷和转速范围内与实验均十分吻合。 a s s a n i s 和h e y w o o d 直接将传热系数与自由流湍流结合起来，通过使用k 双 方程湍流模型，计入压缩过程中由于涡团变形所产生的湍流项，其中对传热系数 均质压燃船舶柴油机燃烧过程与n o x 排放的数值模拟 起决定作用的雷诺数由随时间变化的湍流变量计算。该模型更有物理意义，可以 进行流动对传热影响的相关研究。f i v e l a n d 和a s s a n i s 将该模型应用于包括进排 气在内的完整循环的h c c i 发动机单区模型计算中，通过比较w o s c h n i 模型和 a s s a n i s & h e y w o o d 模型发现，传热模型对着火点的预测影响显著，并指出w o s c h n i 模型无法描述换气过程中由于缸内平均气体速度增加和大湍流尺度产生所引起 的传热系数增加的现象，而a s s a n i s & h e y w o o d 模型却可以很好地体现这一变化。 t s u r u s h i m a 等人研究发现，通过向e i c h e l b e r g 经验模型加入一正比于压力升高率 的项，可以很好地模拟h c c i 发动机在敲缸状态时的传热过程。 可以说，h c c i 发动机中的传热模型目前仍在发展之中，还需要进一步的理 论研究和实验验证。 总之，单区模型可以代表h c c i 燃烧过程中位于气缸中心温度最高的区域， 因此具有预测h c c i 燃烧过程的能力，特别是能较准确地计算着火定时。但是它 对放热率、燃烧效率和h c 、c o 等污染物的排放预测误差较大，这主要是由于 单区模型将整个气缸视为均匀场所带来的缺陷。 1 3 。2 多区模型 为了避免单区模型由于均匀性的假设而带来的缺陷，研究者们常常用分区来 考虑混合气的不均匀性，这就是多区模型。多区模型通过将燃烧室分为若干个区， 区间的温度和组分可以不同，能够很好地描述温度和组分的不均匀度，从而更准 确地计算缸内的燃烧过程。同时由于在多区模型中采用的区间数目有限，可以避 免直接将多维c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，计算流体动力学) 模型与详 细反应动力学耦合计算所需要的昂贵的计算机资源。 多区模型分区数可以少到2 个或3 个，多达3 0 个，通常分区数越多，精度 越高，计算时间也越长。多区模型相对于单区模型更突出的优点是提供h c c i 燃 烧过程中包括放热率、燃烧效率、平均有效压力和排放等更多的信息。e a s l e y 提 出了h c c i 燃烧的一个6 区模型，它包括壁面边界层区、缸套与活塞之间的缝隙 区、1 个外区和3 个绝热内核区f 1 2 】。假定每个分区内工质是均匀分布的，边界层 区和缝隙区能相互交换质量，绝热内核区与其他的分区则不交换质量和热量，计 算结果显示，自燃首先出现在温度最高的内核区，它着火后膨胀，使相邻的区受 第1 章绪论 到压缩自燃，边界层区和狭缝区则始终不能着火。他i r o n 用此多区模型讨论了 h c c i 发动机中n o x 、c o 和h c 排放的来源，发现n o x 排放主要来自温度最高 的核心区，h c 排放主要来自温度较低的缝隙区和边界层区，而c o 排放主要是 在膨胀冲程中由缝隙区和边界层区流出的未燃混合气，流入到温度较高的核心区 被部分氧化的结果。他们同时研究了缝隙容积、转速、缸壁温度和边界层厚度对 h c c i 发动机性能和排放的影响。 从上述的多区模型可以看出，多区模型中不存在空间坐标，因而对各区不需 要也不可能有几何形状的描述，它们只具有一定的体积、质量和各热力学参数。 计算中假定各区间的压力完全一致，随活塞的移动缸内体积发生变化，各个区间 由于温度不同为保持各区压力相同会有挤压的相互作用。但是在不同的多区模型 中，初始条件的确定、区间划分方式和数目、传热模型、区间质量交换模型、边 界层模型和求解方法也有所不同。 1 3 3 多维模型 多维模型直接将多维c f d 模型与反应动力学模型耦合，以描述缸内的流动 和化学反过程，研究h c c i 发动机的燃烧过程。但是，由于多维模型所需要的计 算量巨大，仅仅是在最近几年由于计算机计算能力的提高，多维模型的研究才真 正发展起来，目前其发展势头强劲，特别是最近h c c i 发动机由理论研究逐渐向 产品设计过渡的过程中，多维模型更是起到了非常重要的作用。 美国w i s c o n s i n m a d i s o n 大学在h c c i 多维数值模拟方面做了大量的工作， k o n g 等人使用k i v a 3 v 程序分别对天然气、异辛烷和正庚烷为燃料的h c c i 发 动机进行了模拟。在不同燃油、喷射系统、转速和e g r 率大范围的工况下，计 算结果均与实验完全一致。k o n g 等人利用此模型研究了缸内直喷式汽油h c c i 发动机的燃烧和排放，结果表明在不同喷油定时和发动机负荷下缸内压力曲线、 放热率和排放的变化趋势的预测均十分理想。为研究多维模型中不同因素对计算 结果的影响，k o n g 和r e i t z 详细地分析了网格密度、进气温度、缸壁温度、湍流 混合和c o 排放模型对h c c i 燃烧和排放的影响。结果显示，所预测的燃烧特性 对网格密度并不敏感，但是为了足够准确地预测h c 和c o 的排放特性，在活塞 环的缝隙区必须设置精细的网格，以达到对温度梯度的高分辨率。同时计算发现， 均质压燃船舶柴油机燃烧过程与n o x 排放的数值模拟 h c c i 燃烧和排放的预测对初始温度非常敏感。 由于计算机计算能力的限制，在多维模型的计算中只能采用分离式的算法， 即将缸内流动和化学反应的计算过程分开求解，基本流程是：在每一个时间步长 内先利用c f d 程序算出各个网格单元的组分浓度、温度和压力等热力学参数， 然后，利用这些数据进行化学反应的计算，对各参数进行更新，供c f d 程序进 行下一时间步的计算，此过程交替进行直到燃烧结束。但在不同的多维模型中， 初始条件的确定、湍流混合对化学反应速率的影响、湍流模型、壁面传热模型以 及加快计算速度的方法亦有所不同。 1 3 4h c c i 数值模型研究的重要性 h c c i 在短期内从概念变为现实，计算燃烧学是一个主要的推动因素，将这 一发展过程同火花点火内燃机和压燃式柴油机的历史相比较，可以很好地说明计 算机分析在内燃机设计中所产生的收益。h c c i 数值模型研究的重要性主要包括 以下几点： ( 1 ) 开发和验证一个正确的模型，并进一步应用于h c c i 内燃机的研究中， 可以节约大量的实验成本和时间。 ( 2 ) 通过简单的模型便可以在非常短的时间内开展参数研究，讨论改变不 同参数对h c c i 内燃机的影响。保持其它所有参数不变而仅改变一个参数这样的 研究通常在实验中是无法完成的。 ( 3 ) 通过数值模型更有利于发现燃烧室内的物理现象，得到通过实验难以 测量的数据，如缸内温度场和组分的分布。 ( 4 ) 由于h c c i 燃烧主要受化学动力学的控制，因此深入理解燃烧过程中 的化学反应过程，对h c c i 内燃机的研究是至关重要的。并可以把获得的详细反 应动力学的相关知识进一步应用于传统火花点火内燃机和压燃式柴油机模型中。 1 4 本文的主要工作 h c c i 燃烧方式既有较高的热效率，又有极低的n o x 和p m 排放，已成为当 今世界各国内燃机界研究的热点。柴油主要是由烷烃、烯烃、环烷烃、芳香烃、 多环芳烃与少量硫、氮及添加剂等组成的混合物，标号不同，其组分也有所差别， 第1 章绪论 因此很难用固定的详细化学反应动力学方程式来描述其燃烧和排放过程。目前国 际上对h c c i 数值模拟主要以正庚烷( n h e p t a n e ) 作为柴油替代燃料，正庚烷是 大分子烷烃，十六烷值是5 6 ，与柴油燃料接近，相关理论和实验研究已经证实 其化学反应动力学模型可以很好的模拟柴油的燃烧反应过程【9 】，因此本文亦选用 正庚烷作为柴油替代燃料进行h c c i 燃烧方式的研究，主要研究内容如下： ( 1 ) 根据已经公布的详细正庚烷氧化反应的化学反应动力学的机理，在传 统的单区模型基础上加入n o x 生成和排放项建立新的h c c i 单区燃烧模型。 ( 2 ) 在化学动力学计算软件包c h e m k i n 子程序的基础上应用v i s u a l f o r t r a n 语言编制模拟程序。 ( 3 ) 通过h c c i 燃烧模型分别研究压缩比、进气温度、进气压力、过量空 气系数和转速等参数变化对h c c i 船舶柴油机燃烧过程的影响。 ( 4 ) 定性的研究影响h c c i 船舶柴油机n o x 生成和排放的相关产物及参数 的变化趋势与受控因素；探讨压缩比、进气温度、进气压力、过量空气系数和转 速等参数变化对n o x 生成和排放的影响。 ( 5 ) 与船舶柴油机实际n o x 排放数据为对照，从理论上验证正庚烷h c c i 船舶柴油机的低n o x 排放特点。 均质压燃船舶柴油机燃烧过程与n o x 排放的数值模拟 第2 章正庚烷均质压