（动力机械及工程专业论文）燃料设计控制hcci燃烧与排放的试验研究.pdf

燃料设计控制h c c l 燃烧与排放的试验研究 摘要 均质充量压缩着火h c c i 燃烧技术是近年来发展起来的一种可以同时降低n o x 和碳烟排放的新型高效燃烧方式但是，相对传统燃烧模式，h c c i 燃烧面i 临着火 时刻和燃烧速率控制等诸多问题，在其实用化过程有待进一步深入研究为此本文 依据燃料设计的概念，尝试解决h c c i 着火燃烧和摊放控制问题 由于h c c i 燃烧主要受化学动力学控制，研究碳氢燃料特别是参比燃料的化学 动力学反应，有助于理解燃料性质对h c c i 着火与燃烧的影响与控制。本文首先采 取数值模拟方法，研究了一定进气温度和燃空当量比条件下的纯正庚烷和纯异辛烷 的h c c i 燃烧的差别性及其原因。在此基础上，研究了不同固定配比的异辛烷正庚 烷混合参比燃料在一定进气温度和当量比条件下的h c c i 燃烧规律及其相关产物产 生历程。结果发现，高辛烷值燃料异辛烷和高十六烷值燃料正庚烷的混合能够有效 控制h c c i 燃烧相位和燃烧程度。 为此，本文选用c a 4 9 8 柴油机作为原型机，改造建立单缸h c c i 燃烧试验平 台，利用独立的机械泵供油系统实现第四缸的固定配比混合燃料进气道预混合 h c c l 燃烧。对不同固定配比的异辛烷正庚烷混合参比燃料h c c i 燃烧与排放特性 进行了详细试验研究，进而得到不同混合参比燃料的运行范围。结果发现燃料性质 可以控制h c c i 低温反应进丽影响整个h c c i 燃烧与排放特性。但高辛烷值燃料或 者高十六烷值燃料，其h c c i 燃烧排放控制都有一定难点，主要体现在高辛烷值燃 料不容易压燃，在低负荷时着火性差，排放恶化；而高十六烷值燃料具有良好的低 温自燃着火特性，低负荷工况有良好的燃烧特性和排放特性，但是大负荷下着火时 刻提前，容易爆震。 就高辛烷值燃料h c c i 燃烧排放控制的问题，基于燃料设计的思想，本文进一 步研究了着火促进剂对高辛烷值燃料的h c c i 着火性能的改善及其低负荷运行区域 的拓展，试验研究了在添加少量的d t b p 条件下，高辛烷值混合燃料p r f 8 0 的 h c c i 燃烧、排放和运行范围的变化，结果发现采用少量比例d t b p 的添加，使高 辛烷值燃料的h c c i 低温反应改善，燃烧相位提前，特别是提高了低当量比条件下 的高温燃烧放热速率，显著地拓展高辛烷值燃料的低负荷运行区域，h c c i 燃烧的 h c 和c o 排放显著改善。 就高十六烷值燃料h c c i 燃烧排放控制的问题，基于燃料设计的思想，本文进 一步研究了高辛烷值抗爆含氧燃料的添加对高十六烷值燃料h c c i 燃烧控制作用， 探讨了正庚烷添加不同比例的m t b e 、乙醇和甲醇的混合燃料燃烧与排放特性，继 v 而分析三种高辛烷值抗爆性含氧燃料的添加在正庚烷h c c i 燃烧控制及其负荷拓展 方面的共性与差别。研究发现在正庚烷中添加高辛烷值燃料，使h c c i 燃烧相位有 效延迟，同时当量比范围拓展将近2 0 。相对纯正庚烷h c c i 燃烧，甲醇添加使得 负荷拓展约8 6 8 ，乙醇添加使得负荷拓展约7 5 8 ，m t b e 添加使得负荷拓展约 6 4 8 。甲醇在拓展h c c l 负荷运行范围潜力相对最大，但是甲醇的添加容易导致 h c c i 燃烧h c 排放恶化综合负荷拓展与排放效果发现，乙醇是一种较理想的 h c c i 燃烧的抗爆添加燃料。 固定配比混合燃料的单一物性，往往无法适应变化的发动机工况。本文进一步 提出了实时控制燃料设计的概念，设计了双飞翼式的h c c i 燃烧进气道，利用自行 研制的电控系统实时控制正庚烷和异辛烷的当量比，实时改变燃料的比例。进而实 时改变燃料的性质和可燃混合气成分。本文在研究变配比参比燃料h c c i 燃烧与捧 放特性基础上，进而确定参比燃料实时优化控制策略，在小负荷范围增加高十六烷 值燃料的比例，确保可靠着火；在高负荷范围内，增加高辛烷值燃料的比例，以增 加混合燃料的抗爆性。结果发现与固定配比参比燃料相比，实时优化混合燃料比例 的h c c i 燃烧，获得了h c c i 燃烧负荷拓展和排放降低的综合效果，在整个运行负 荷范围内具有较高的热效率。 为了发展完善的h c c i 燃烧的燃料设计实时控制策略，必须了解运行条件和燃 烧氛围对h c c i 着火燃烧的影响。因此本文对发动机运行冷却水温度、转速以及 e g r 率等因素对不同辛烷值参比燃料的着火、燃烧与排放特性进行了研究，结果表 明这些因素对h c c l 着火燃烧排放有明显影响，其中高辛烷值燃料受这些因素影响 要比高十六烷值燃料明显。因此研究表明未来研究中，将运行条件因素与燃料实时 控制二者有机结合，发展基于运行条件闭环控制的实时燃料设计，对实现h c c i 燃 烧宽转速运行，进一步拓展负荷范围具有重要意义。 关键词：均质充量压缩着火( h c c i ) ；燃料设计；高十六烷值燃料；高辛烷值燃 料；参比燃料( p r f ) ；化学动力学；燃烧；排放；实时控制 v i e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ec o n t r o lo fh c c i c o m b u s t i o n a n de m i s s i o n su s i n gf u e ld e s i g nc o n c e p t a b s t r a c t r e c e n t l y , h o m o g e n 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 oc o m b u s t i o n i s r e c e i v i n gm o r ea t t e n t i o nf o ri t sp o t e n t i a lt oi m p r o v ee f f i c i e n c ya n df c d u e m i s s i o n sw h e n i ti su s e di ne n g i n e s i nc o n t r a s tw i t hc o n v e n t i o n a le n g i n e s , i ti 摹f u n d a m e n t a l l ym o r e c h a l l e n g i n gt oc o n t r o lt h es t a r to fc o m b u s t i o na n dt h er a t eo fh e a tr e l e a s eo v c raw i d e r a n g eo fo p e r a t i n gr a n g e r e l e v a n tb a s i ci n v e s t i g a t i o n sn e e dt ob ef u r t h e rd o n ei no r d e rt o p u th c c it e c h n o l o g yi n t ot h ep r a c t i c a le n g i n c si nt h ef u t u r e i t i sv e r yi m p o r tt ou n d e r s t a n dt h el o w - t e m p e r a t u r eo x i d a t i o nm e c h a n i s mo ft h e p r i m a r yr e f e r e n c ef u e l s ，b e c a u s eh c c i c o m b u s t i o ni sc o n t r o l l e db yt h ec h e m i c a lk i n e t i c s i nt h i sp a p e r , t h ed i f f e r e n tp e r f o r m a n c eo fh c c ic o m b u s t i o nw a si n v e s t i g a t e db e t w e e n p u r en - h e p t a n ea n dp u r ei s o - o c t a n eb ym e a n so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a f t e r w a r d s ，t h e h c c ic o m b u s t i o nw i t hd i f f e r e n ti s o - o c t a n e n - h e p t a n em i x t u r e sa n dt h ep r o d u c i n gp r o c e s s o fr e l e v a n tp r o d u c t i o n sw e r e i n v e s t i g a t e d w h e ni n t a k et e m p e r a t u r ea n df u e l a i r e q u i v a l e n c er a t i oa r es a u l e 1 1 i es i m u l a t i o ns u g g e s t e dt h a tt h em i x i n gw i t hh i g h o c t a n e f u e la n dh i g h o c t a n ef u e lc a ni n f l u e n c et h ec o m b u s t i o np i l a s ca n dc y l i n d e rp r e s s u r ei n h c c ic o m b u s t i o n 1 1 l cf o u r - c y l i n d e r , f o u r - s t r o k eh i g h - s p e e dd i r e c ti n j e c t i o n ( d i ) d i e s e le n g i n ew a s e m p l o y e da sp r o t o t y p ee n g i n e o n ec y l i n d e ro ft h ep r o t o t y p ee n g i n ew a sr e f o r m e df o r o p e r a t i n g w i t hp r e m i x e dh c c ic o m b u s t i o n n cc o m b u s t i o na n de m i s s i o n sc h a r a c t e r i s t i c s o fh c c if u e l e dw i t ht h ed i f f f e m tp r f sw i t hs p e c i f i ci s o - - o c t a n e - t o - n - h e p t a n er a t i o sw e r e s t u d i e da n dt h er e l e v a n to p e r a t i n gr a n g ei nf u e l a i re q u i v a l e n c er a t i ow a ss k e t c h e d i tw a s f o u n dt h a tt h ef u e lp r o p e r t i e sm a yc o n t r o lt h eh e a tr e l e a s ei nt h el o wt e m p e r a t u r er a n g et o i n f l u e n c e do fh c c ic o m b u s t i o n h o w e v e r , t h e r ew e r ef u n d a m e n t a ld e f e c t sf o rh i g h - o c t a n ef u e l sa n dh i g h c e t a n ef u e l s t h eh i i g h - c e t a n ef u e l sh a db e e np r o v e nt oi g n i t ee a s i l y a tt h ee a r l yc o m b u s t i o np h a s eb e f o r et d ca n dw e r ee a s i l yk n o c k i n ga th i g h e rl o a di n h c c ic o m b u s t i o n o nt h ec o n t r a r y , t h eh i g h o c t a n ef u e l sw e r ed i f f i c u l tt oi g n i t ea n dh a d g o o da n t i - k n o c k i n gp e r f o r m a n c ei nh c c ic o m b u s t i o n 。h o w e v e r , h i g h o c t a n ef u e l sh a d d e t e r i o r a t e de m i s s i o n si nl o w e rl o a d s f o rt h el i m i t a t i o n so fh i g h - o c t a n ef u e li nh c c ic o m b u s t i o n ，t h es a m l ld t b pw a s a d d e da st h ei g n i t i o ni m p r o v e r t h ep a p e rs t u d i e dh c c ic o m b u s t i o nf u e l e dw i t hp r f 8 0 w h e ns m a l ld t b pw a sa d d e d i tw a sf o u n dt h a ts a m l ld t b pc a ni m p r o v et h ei g n i t i o no f h c c ic o m b u s t i o nf u e l e dw i t hp r f 8 0a n de x t e n d e di t sl o wl o a do p e r a t i o nr a n g e a tt h e s a m et i m e ，t h ee m i s s i o n so fh c c if u e l e dw i t hp r f 8 0w e r er e m a r k a b l er e d u c e dw h e n s o m ed t b pi sa d d e d i f o rt h ef i m i t a t i o n so fh i g h - c e t a n ef u e li nh c c ic o m b u s t i o n ，t h eh i g h - o c t a n ea n t i - k n o c k i n g f u e l sw e r eb l e n d e d t h e p a p e r s t u d i e dt h ec o m b u s t i o na n de m i s s i o n s c h a r a c t e r i s t i c so fh c c if u e l e dw i t hn - h e p t a n ew h e nm t b e ，e t h a n o la n dm e t h a n o lw a s b l e n d e dw i t hs p e c i a lr a t i o sr e s p e c t i v e l y a tt h es a m et i m e , i nv i e wo fc o n t r o l l i n gn - h e p t a n e f u e l e dh c c ic o m b u s t i o na n de x t e n d i n gt h eo p e r a t i o nr a n g e ，t h ec o m m o n n e s sa n d d i f f e r e n c ea m o n gm t b e 。e t h a n o la n dm e t h a n o li sa n a l y z e d i lw a sf o u n dt h a tt h ea d d i t i o n o fh i g h - o c t a n ea n t i k n o c k i n gf u e l sc a nd e l a yt h ec o m b u s t i o np h a s eo fh c c ic o m b u s t i o n a sw e l la si n c r e a s eo p e r a t i n gr a n g ei nf u e l a i re q u i v a l e n c er a t i ou pt o2 0p e r c e n t i n c o n t r a s tw i t hh c c ic o m b u s t i o nf u e l l e dw i t hp u r en - h e p t a n e t h el o a do fh c c ic o m b u s t i o n i si n c r e a s e db y8 6 8 w i t hm e t h a n o l sa d d i t i o n , 7 5 8 w i t he t h a n o l sa d d i t i o na n d6 4 8 w i t hm t b e sa d d i t i o nr e p e s t i v e l y i tc a nb es e e nt h a tm e t h a n o lh a sm a x i m a lp o t e n t i a li n e x t e n d i n go p e r a t i n gr a n g ，h o w e v e re m i s s i o n so fh c c ic o m b u s t i o na l ee a s i l yd e t e r i o r a t e d w h e nm e t h a n o li sa d d e d b a s eo nt h ee f f e c t i o nb o t he x t e n d i n gl o a da n dc o n t r o l l i n g e m i s s i o n s ，e t h a n o li sm o r ep e r f e c ta n t i - k n o c k i n ga d d i t i v ef u e l t h ea b o v es t u d i e sw e r ea l la b o u tt ot h em i x t u r e sw i t hf i x e dr a t i o a sp u r eh i g h c e t a l r e f u e lo rp u r eh i g h - o c t a n ef u e l t h ep r o p e r t i e so fs u c hm i x e df i l e l sa r ea l s om o n o t o n ea n d s t a b l e i tc a nb ek n o w nt h a tm o n o t o n ea n ds t a b l ep r o p e r t i e sc a n n o tc o n t r o lh c c l c o m b u s t i o na n dd e c r e a s ee m i s s i o n ss i m u l t a n e o u s l yo v e rt h ew i d e ro p e r a t i n gr a n g e t h e p a p e rp r o p o s e dan e wc o n c e p to ff u e ld e s i g na n dd e s i g n e dt w o - w i n gt y p e di n t a k ep i p e d w i t ht h ec o n t r o ls y s t e m ，n - h e p t a n ea n di s o - o c t a n ew i t hr e q u k e df u e l a i re q u i v a l e n c er a t i o s a r ei n j e c t e di n t oi n t a k ep i p er e s p e c t i v e l ya n df l e x i b l ep r o p o r t i o n so fh i g h - o c t a n ef u e l h i g h - o c t a n ef u e lw e r e ：o b t a i n e dr e a l t i m et oc o n t r o lh c c ic o m b u s t i o n b a s e do ni n v e s t i g a t i o n o fc o m b u s t i o na n de m i s s i o n so fh c c ic o m b u s t i o nf u e l e dw i t hf l e x i b l ep r o p o r t i o n so f h i g h - o c t a n ef u e l h i g h - c e t a n ef u e l ，t h eo p t i m i z e dc o n t r o ls t r a t e g yw a sc h o s e d i tw a sf o u n d h c c ic o m b u s t i o nw i t ho p t i m i z e dv a r i a b l ei s o - o c t a n e n - h e p t a n eh a dg o t t e nr e m a r k a b l e i m p r o v e m e n to nt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，e m i s s i o n sl e v e la n do p e r a t i o nr a n g e , i n c o n t r a s tw i t ht h eh c c ic o m b u s t i o nw i t hf i x e dp r o p o r t i o ni s o - o c t a n e n - h e p t a n e i no r d e rt od e v e l o ps t r a t e g yo ff u e ld e s i g nc o n t r o l l e dr e a l - t i m e ，i ti sn e c e s s a r yt o u n d e 培t a n dt h ee f f e c to fo p e r a t i o nc o n d i t i o no nt h eh c c ic o m b u s t i o n t h ep a p e rs t u d i e d t h ee f f e c to fc o o l a n tw a t e rt e m p e r a t u r e ，s p e e da n de g ro nt h ei g n i t i o n , c o m b u s t i o n c h a r a c t e f i s t i e sa n de m i s s i o n sl e v e lo fh c c ic o m b u s t i o nf u e l e dw i t hd i f f e r e n tp r f s i tw a s f o u n dt h a tt h e s eo p e r a t i n gf a c t o r sp u tm o r er e m a r k a b l ee f f e c to nt h eh i g h - o c t a n ef u e lt h a n h i g h - c e t a n ef u e l h e n c e , i tw o u l db en e c e s s a r ya n di m p o r t a n tt h a tc l o s e - l o o p , c o n t r o lo f f u e ld e s i g na r ed e v e l o p e dw i t hc h e c k i n ga n dc o n t r o l l i n gt h e s eo p e r a t i n gf a c t o r si nt h e f u t u r e ，i no r d e rt or e l e a i z eh c c le n g i n et or u no nw i d e ro p e r a t i n gs p e e da n dh i g h e r o p e r a t i n gl o a d k e yw o r d s ：h o m o g e n 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 d ；f u c ld e s i g nc o n c e p t ； h i g h - o c t a n ef u e l ；h i g h c e t a n ef u e l ；p r i m a r yr e f e r e n c ef u e l ；c h e m i c a l k i n e t i c s ；c o m b u s t i o n ；e m i s s i o n ；r e a l - t i m ec o n t m l 符号 由 e l h m a x 缩写与符号 英文全称 a f t e rt h eb o t t o md e a dc e n t e r a f t e rt h et o pd e a dc e n t e r b e f o r et h eb o t t o md e a dc e n t e r b e f o r et h eb o t t o md e a dc e n t e r c a r b o nm o n o x i d e c a r b o nd i o x i d e d i t e r t - b u t y ip e r o x i d e d i m e t h y ie t h e r d i m e t h o x y r n e t h a n e e t h a n o l e x h a u s tg a sr e d r c u l a t i o n h o m o g e n 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 y d r o c a r b o n h e a tr e l e a s er a t e h i g ht e m p e r a t u r eh e a tr e l e a s er a t e i s o - o c t a n e i n d i c a t em e a ne f f e c t i v ep r e s s u r e l o wt e m p e r a t u r eh e a tr e l e a s e 阳t e h e t h a n o l m e t h y it e r t - b u t y le t h e r n h e p t a n e n oa n dn o ，e t c n e a a t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i d e n t p r i m a r yr e f e r e n c ef u e i r a p i dc o m p r e s s i o nm a c h i n e v a r i a b l ec o m p r e s s i o nr a t i o v a r i a b l ev a l v et i m i n g t e m p e r a t u r e 英文全称 f u e l a i re q u i v a l e n c er a t i o c r a n ka n g l e l o wt e m p e r a t u r eh e a tr e l e a s e h a ht e m p e r a t u r eh e a tr e l e a s e m a x i m u m 1 x 中文含义 下止点后 上止点后 下止点前 上止点前 一氧化破 二氧化破 过氧化二叔丁基 二甲醚 甲缩醛 乙醇 废气再循环 均质充量压缩着火 碳氢化合物 放热率 高温反应放热率 异辛烷 平均指示压力 低温反应放热率 甲醇 甲基叔丁基醚 正庚烷 氮氧化物 负温度系数 参比燃料 快速压燃机 可变压缩比 可变气门正时 温度 中文含义 燃空当量比 燃烧相位角度 低温放热反应 高温放热反应 最大值 蕊氍乎淼k警热鬻p焉隧慧器t 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 灵云。各 日期：砷年，月1 7 e i 1 1 1 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权上海交通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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 知夺指导教师签名： 哲多 日期：- - 7 年，月，7 日 日期：如声f 月1 7 日 i v 上海交通大学博十学位论文 第一章绪论 1 1 引言 继1 8 7 6 年奥托机问世，狄塞尔于1 8 9 7 年完成了压缩点火发动机( 柴油机) 的 设计【l 】经过一百多年的演化发展，内燃机技术日臻完善内燃机具有热效率高、 适应性好和功率范围广等优点，被广泛应用于工业，农业、交通运输和国防建设等 各个领域内燃机工业的发展对人类活动和社会发展均产生了深远的积极影响值 得注意的是，由于内燃机动力源自燃料燃烧产生的热量，大量能源消耗的同时也产 生了诸多有害物质，因此引发了能源危机和环境污染问题 1 2 能源危机与排放法规 随着世界各国经济的不断发展，以内燃机为动力的汽车数量飞速增长使得世界 各国面临着日益严重的石油短缺危机。从1 9 9 3 年起我国就已经从石油出口国变为 净进口国。在新世纪初，随着经济可持续发展，中国的能源需求将以更快的速度增 长。2 0 0 3 年初的中国地质科学院发表报告说，除了煤之外，2 0 年后中国的石油和 天然气资源累计需求总量至少是目前总量的2 - 5 倍。报告指出，中国的主要油田都 已接近生产结束期，到2 0 2 0 年，中国需要进口5 亿吨原油和1 0 0 0 亿立方米天然 气，分别占国内消费量的7 0 和5 0 1 2 1 ，成为继美国之后的世界第二大石油进1 ：3 国我国能源安全已经成为迫切需要解决的问题除采用各种节能措施来有效地利 用能源外，寻找新的石油替代能源更是摆脱能源危机的主动策略，因此如何充分利 用和开发新能源，减少对石油资源的依赖是一项意义重大的课题 车用内燃机在为人类提供广泛动力支持的同时，也造成了环境污染问题。内燃 机尾气排放已成为世界各大城市的主要污染源之一。据统计，在大城市中大约超过 印8 0 的空气污染物为车辆排放所造成。我国2 0 0 0 年机动车在上海中心城区的 c o 、h c 和n o x 的排污分担率分别达到8 6 、9 0 和5 6 1 3 1 。机动车排放引起的 大气污染恶化了人类的生存环境，危害了人类的身心健康。为改善人类生活环境， 抑制温室气体效应，从上世纪7 0 年代开始各国就针对汽车与发动机的尾气排放建 立了相应的法规，以期对其进行控制。随着环保的需求和科学技术的进步，世界各 国对机动车排污控制高度重视，欧美日等发达国家纷纷制定日趋严格的内燃机排放 法规【4 5 】，平均每3 、4 年就要更新一次，并且将今后几年要推出的新法规预案提 前公布。 我国的汽车排放法规日益完善，大体上是比照欧洲标准制定的。我国2 0 0 0 年 采用的汽车排放法规大致相当于欧洲i 号标准，2 0 0 4 年采用的排放法规基本相当于 欧洲号法规。在2 0 0 5 年底北京在全国率先实现欧i i i 排放法规，上海环保总局公 第一章绪论 布2 0 0 6 年- 2 0 0 8 年环境保护和建设三年行动的计划，提出公交等重点行业机动车率 先实施国家第三阶段排放标准，其余新车从2 0 0 7 年起全面实施欧i i i 标准。与此同 时，广州获国务院批准于今年9 月1 日起实施欧i 标准，成为继北京、上海之后全 国第三个实行欧i i i 标准的城市。随即欧i i i 标准将在2 0 0 7 年7 月1 日在全国统一实 行。 1 3h c c i 燃烧研究现状 传统的内燃机分为火花点火式和压缩自燃式两种燃烧模式，火花点火式发动机 侧重于均质预混及外源点火，而压缩自燃式发动机则喷雾扩散及压燃，分别用汽油 及柴油作为燃料。在载客汽车特别是轿车中，火花点火式的汽油机得到了广泛的应 用。而采用压缩自燃式的柴油机以其油耗低、功率高、耐久性好等优势在各种动力 装置、船舶和车辆上得到日益广泛的应用，其数量和使用范围不断扩大，除了占据 全部大吨位机动车市场外，一些国家如德国、日本的中吨位车也全部柴油机化，轻 型载货车则大部分柴油机化。在欧洲，小型客车正呈现柴油机化的趋势【6 】。随着人 们对环境污染的关注和日趋严格排放法规的实施，柴油机排放控制也就成了研究的 焦点。 压缩自燃式和火花点火式的两种发动机不断发展变化，尤其是电子控制技术的 发展给传统的内燃机发展带来新的动力f 7 1 8 1 。同时迫于能源危机和环境保护的压 力，各种替代燃料都开始尝试在压缩自燃式和火花点火式两种发动机上使用【1 9 3 4 。在采用替代燃料研究过程中，汽油机及柴油机各自采用彼此的一些措施和优点 3 5 4 1 。例如汽油机为了适应醇燃料的特性及提高热效率，将压缩比提高到1 2 - 1 4 。柴油机为了能使用难以压燃的醇燃料，采用电热塞、点火系统或助燃剂。将两 种燃烧模式的优点结合起来探究应对能源危机和环境保护的策略，均质充量压燃 ( 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 ) 燃烧技术出现是其必然结果， 也是当今及未来内燃机研究发展一个热点方向【4 2 4 4 。 袁1 4 三种燃烧模式的发动机比较 t a b l e1 - 4c o m p a r i s o no f e n g i n e si nt h r e ec o m b u s t i o nm o d e s 【4 5 l 点燃式发动机压燃式发动机 h c c i 燃烧发动机 燃料汽油等柴油等燃料范围广 过量空气系数 1 0 左右1 6 2 2 走于l 的宽广范围 混合气形成方式化油器或喷射缸内喷射缸内喷射，进气道喷射 着火点燃压缩着火通过压缩，多处着火 燃烧方式预混燃烧扩散燃烧为主预混合燃烧，化学动力学控制 火焰 有 有无明显的火焰前锋 燃烧温度高温局部高温温度相对低 循环方式等客加热 混合加热等容加热 均质充量压燃h c c i 燃烧技术是在燃烧前使燃料与空气形成稀薄的均质混合 气，预混合气在压缩行程末期自燃着火，推动活塞做功【4 6 】。表1 - 4 为三种燃烧模 2 上海交通大学博士学位论文 式的发动机比较，h c c i 燃烧相对传统的火花点火式发动机、压缩点火式发动机相 比有比较明显的优点【4 7 】： 1 h c c i 燃烧具有较高的热效率。这主要在于h c c i 燃烧模式采用较高的压缩 比，具有较低的节气损失，同时由于气缸内没有火焰传播过程，具有较短 的燃烧持续期，因而其热效率与压缩自燃式发动机相当同时h c c i 燃烧 具有很低的碳烟和n o x 排放这主要在于h c c i 是均质充量、稀薄混合气 燃烧。基本上没有碳烟产生：缸内同时着火而没有明显的火焰传播，不存 在高温的火焰前锋，加之无局部过浓的混合气燃烧区，因此整个缸内温度 分布均匀，温度较低，因此n o x 很低。 2 h c c i 燃烧燃料适应性好，可以采用多种燃料，这对改善全球能源分布，减 少经济社会发展对化石能源的依赖有重大意义 h c c i 燃烧首先由o n i s h i 4 8 和n o g u c h i 4 9 提出并应用到二冲程发动机上，基 于降低二冲程汽油机污染物排放和燃油消耗的研究目的，提出了活化热气氛燃烧 a t a c ( a c t i v et h e r m o a t m o s p h e r ec o m b u s t i o n ) 的概念，这可以说是最早具有h c c i 特征的燃烧概念。n a j t 5 0 将这一概念应用到四冲程发动机上8 0 年代初期我国大 连理工大学胡国栋教授提出了柴油机热预混合燃烧( d h p c - d i e s e lh o tp r e m i x e d c o m b u s t i o n ) 理论 5 1 1 ，也是最早关于均质充量压燃的研究之一自上世纪9 0 年代 至今，h c c i 研究引起各国学者广泛注意。就世界范围而言，美国、日本和欧洲都 给与h c c i 研究予以足够的重视，如美国l a w r e n c el i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y 、 瑞典的l e n di n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y 和日本的k e i ou n i v e r s i t y 等著名相关研究中心对 于h c c i 燃烧基础理论认识和相关试验研究作出了积极贡献。在本世纪初期，中国 内燃机领域对h c c i 研究投入大量的科研力量，在国家科技部及其相关部门的支 持，天津大学、上海交通大学，西安交通大学、清华大学、吉林工业大学、大连理 工大学和浙江大学等高校都在h c c i 研究方面作了大量的基础理论与试验研究工 作。 目前，h c c i 燃烧研究方兴未艾，世界各国政府和研究机构相继投入了大量的 人力、物力和财力对h c c i 燃烧机理和燃烧控制进行了广泛而深入的研究。 1 4h c c i 燃烧机理与模型研究 用数值模拟技术描述h c c i 发动机的着火与燃烧过程，可以更好理解h c c i 燃 烧的机理，进而寻求合理的物理和化学手段来实现h c a 燃烧的有效控制。作为 h c c i 研究与开发主要手段之一，其数值模拟研究近年来已取得了重要的进展。相 对于传统发动机研究主要侧重于湍流混合与燃烧模型，h c c i 发动机燃烧模拟的焦 点主要集中在燃料的反应机理和化学动力学模型上。各种燃料化学动力学反应机理 是研究h c c i 燃烧着火与燃烧现象的重要前提，以美国l a w r e n c el i v e r m o r e 国家试 3 第一章绪论 验室、德国h e i d e l b e r g 大学和英国l e e d s 大学等为代表的欧美的几个相关研究中心 长期以来在烃类燃料氧化反应的机理方面开展了系统深入的工作，并取得一系列被 广泛应用的成果。迄今为止，人们对甲烷、丙烷、正庚烷和异辛烷等大多数碳氢燃 料和d m e 、乙醇、d m m 和m t b e 等含氧燃料都进行了详细的反应机理f 5 4 8 3 1 。 值得一提的是，t a w r e n e el i v e r m o r e 试验室提出了正庚烷和异辛烷氧化燃烧的详细 模5 0 5 2 5 3 1 ，前者包含5 5 0 种组分和2 4 5 0 个基元反应，后者则包含8 6 0 种组分和 3 6 0 0 个反应，这些反应按化学特征分为2 5 种类型，并可相对独立地描述燃料的高 温和低温氧化机理，从而真实地描述冷焰n 1 和两阶段着火等现象。 目前，对h c c i 研究所采用的燃烧模型主要有单区模型、多区模型、多维c f d 模型等，下面将从这三方面分别予以简单说明。 ( 1 ) 单区模型 单区模型是忽略缸内的流场分布，不考虑温度梯度，将整个气缸作为一个浓 度、温度均匀的绝热系统，根据燃料详细化学动力学机理结合化学动力学软件( 如 c h e m k i n 、h c