（轮机工程专业论文）二冲程柴油机的气体流动和内部egr的数值模拟.pdf

y1 0 0 8 1 3 1 一塑些 摘要 均质充景址缩着火( 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 ) 燃烧 足 种新的内燃机燃烧方，它可以涮时大幅降低内燃机碳烟和氮氧化物两种主 要有害排放，有较高的热效率。本文研究目的是研究二冲程发动机预混合压缩着 火燃烧。土耍研究二冲程柴油机的缸内气体流动过程和内部e g r ( e x h a u s t e d g a s r e c i r c u l a t i o n ) 对预混合压缩着火燃烧的影响。 采用数值模拟技术研究了二冲程柴油机的气体流动特性，计算了彳i 同扫气压 力p 的内部e g r 率，理论分析了内部e g r 的高温作用和比热容作用。研究发现， 冲程柴油机的气体流动复杂，在扫排气过程中它的滚流和涡流较强，涡流比和 滚流比变化很大，湍动能和湍流耗散率的变化也很大。在相同转速和负荷下，扫 气压力越高，内部e g r 率越小，不同扫气k 力f ，二冲程柴油机内部e g r 率可 以从1 5 变化到7 0 ；在同转速和扫气压力f ，内部e g r 率随负荷增大而降 低。内部e g r 的高温作用使着火提静，比热容作用可以降低缸内压缩终点的温 度，内郝e g r 的高温作用远大于内部e g r 的比热容作用。 木文研究结果指出了实时可变内部e g r 技术是二冲程发动机预混合压缩着 火燃烧控制的关键技术，对确定不同负荷条件下的内部e g r 具有重要意义。 关键词：二冲程柴油机；气体流动；内韶废气再循环( e g r ) ：数值模拟 摘要 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fg a sf l o wa n di n t e r n a le g r r a t ei nat w o s t r o k ed i e s e le n g i n e a b s t r a c t 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 ) c o m b u s t i o n i san e w c o m b u s t i o nm o d ef o ri n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ，w h i c hc a l lg r e a t l yr e d u c en o xa n d s m o k ee m i s s i o n ss i m u t t a n e o u s l y , a n dc a l la l s oi m p r o v ee n g i n et h e r m a le f f i c i e n c y t h e p u r p o s eo ft h i sp a p e rw a st os t u d yp r e m i x e dc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ( p c c i ) c o m b u s t i o ni nat w o - s t r o k ed i e s e le n g i n e ，i n c l u d i n gi n f l u e n c eo ff u e lp r o p e r t i e sa n d i n t e m a le g ro np c c ic o m b u s t i o n t h eg a sf l o wc h a r a c t e r i s t i c si n s i d et h ec y l i n d e ra n di n t e r n a le g rr a t eu n d e r d i f f e r e n ts c a v e n g i n gp r e s s u r e so ft h et w o s t r o k ee n g i n ew e r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h et h e r m a le f f e c ta n ds p e c i f i ch e a tc a p a c i t ye f f e c to fi n t e r n a l e g rw e r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee n g i n ei nc y l i n d e rg a s f l o wi sv e r ys o p h i s t i c a t e d i nt h ep r o c e s so fs c a v e n g i n ga n de x h a u s t ，i n - c y l i n d e r s w i r l s ，t u m b l e s ，s w i r lr a t i o ，t u m b l er a t i o ，t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g ya n di t sd i s s i p a t i o n r a t ec h a n g eg r e a t l y t h ei n t e r n a le g rr a t ed e c r e a s e sw i t hi n c r e a s ei nt h es c a v e n g i n g p r e s s u r e w h i c hc h a n g e sf r o m15 t o7 0 t h ei n t e r n a le g rr a t ei sa l s or e d u c e d w i t hi n c r e a s ei nt h ee n g i n el o a du n d e rt h es a m ee n g i n er a t ea n ds c a v e n g i n gp r e s s u r e f h et h e r m a le f f e c to ft h ei n t e r n a le g rc o u l da d v a n c et h ei g n i t i o nw h i l et h es p e c i f i c h e a tc a p a c i t ye f f e c tc o u l dd e c r e a s et h ei n c y l i n d e rt e m p e r a t u r e t h et h e r m a le f f e c ti s p r e d o m i n a n ti nt h ei g n i t i o no f p c c lc o m b u s t i o n i tc o u l db ec o n c l u d e dt h a tt h er e a l t i m ev a r i a b l ei n t e r n a le g ri sn e c e s s a r yf o r c o n t r o l l i n gp c c ic o m b u s t i o no ft h et w o - s t r o k ee n g i n e a sar e s u l t ，i tc a n b eo fg r e a t s i g n i f i c a n c ef o rd e t e r m i n i n gi n t e r n a le g r u n d e rd i f f e r e ml o a dc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：t w o s t r o k ed i e s e le n g i n e ；g a sf l o w ；e g r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文 中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或 撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所傲的贡献均已在论文中作 了明确的声明并表示了谢意。 名：率一噍哗 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文复印件，允许论文被查弼和借阕；学校可以上网公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复斜簪襄保存论文。保密的论文在解 ， 密后遵守此规定。 。 作者签名：期： 绛 阜 第章绪论 第一章绪论 1 1 引言 内燃机是种热效率高、使用方便的能量转换机械【1 i ，它对人类文明的发展做 出了不可磨灭的贡献。2 0 0 4 年1 5 月份国内发动机行业( 3 8 家) 累计牛产发动机 1 9 8 5 6 4 2 台，同比累计增长2 2 ，7 4 ；其中柴油机企业( 2 0 家) 累计生产5 9 5 8 7 0 台 同比增长2 3 6 6 ，汽油机企业( 2 4 家) 累计牛产1 3 8 9 7 7 2 台同比累计增i f ：2 2 3 5 【2j 。 内燃机的大量使用导致王 ：境破坏和污染，也导致有限储量的化石能源彳i 断减少i j i 。 内燃机排气中的c 0 2 、n o x 、p m 、h c 、c o 、0 3 、硫化物等对人类和环境有害，其 危害性如表1 1 所示f 4 。】。船舶和机动车污染越来越严重，如在上海中心城区的c o 、 h c # u n o x 的排污分担牢分别达到8 6 、9 0 和5 6 怕j 。 表j 一1 | 土燃# l 排披对人和环境的危害 t a b l ei - 1i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ee m i s s i o n sh a r mt oh u m a nb e i n g sa n de n v i r o n m e n t s 内燃机使用的各种燃料中，柴油的能量密度最高、使用安全性好。柴油机具有 高的热效- g * u 好的燃油经济性，其二氧化碳的排放量比汽油机大约低3 0 3 5 1 7 1 。白上世纪7 0 年代石油危机以来，柴油机的应用更加广泛。柴油机的排放问题仍 然是内燃机发展过程中的首要问题| 8 t 。特别对于我们这样一个经济飞速发展、人口 众多的国家来说，发展高效、清洁的柴油机技术更有必要 9 1 。 第毒绪论 1 2 柴油机有害排放物生成机理 柴油机有害排放物丰要有颗粒( p m ) 、氮氧化合物( n o x ) 、碳氢化合物( h c ) 和一氧化碳 c o ) 。 柴油机颗粒摊放是汽油机的几十倍，柴油机的微粒由碳泪( s o o t ) 、可溶性有机 物f s o f ) 和硫酸盐( s o 。) 组成。如网j _ 1 所示。图1 - 2 为柴油机废气中的颗粒显 微图。该图中芹边是采样颗粒图，球粒( 1 ) 是典型颗粒，它们形成链( 2 ) 和蔟( 3 ) 。 小球( 4 ) 是由颗粒吸附其它物质而成，因而它不是由燃烧直接产牛的。右边显示的 是人晕：雪片状微粒体，它町能是在采样期间由十颗粒表面易挥发物质吸附利解吸附 作蚌导致链和蔟的重掏。 图1 i 柴油机微粒的组成1 1 1图1 2 柴油机废气中的颗粒显微图”1 f i g1 一is c h e m a t i c o f d i e 3 e lp a r t i c l e s f i g ，卜2p h o t o m i c r o g r a p h so f p a r t i c l e sc o l l e c t e d i n t h e e x h a u s to f ad i e s e ie n g i n e 【2 l 碳烟( 也仃称之为固体碳s o l ) 的结晶结构类似碳黑，碳原子排成面心六角晶 格，主“t 面状( 片晶) ，2 5 个片晶叠成微晶，众多微晶构成碳质球体，它的实测比 表曲为2 0 0 m 2 g 。开始的尉体碳直径为0 0 l o 0 8 微米，它们组成的固体质点吸收碳 氯化合物牛成0 0 5 lo 微米的碳烟( s o o t ) ，碳粒再相互聚合，在表面上吸收碳氢化 合物成为微粒3 1 。微粒总体结构可以是团絮状或链状，包含1 0 1 0 4 个微球体。一 般说来，s o f 占微粒质量的1 5 3 0 ，但观测到的总变化范围耍大得多( 1 0 9 0 ) 。由于温度的影响，柴油机负荷越小，s o f 所占比例就越大。碳烟中h c 原于 比在0 ，1 0 2 之间，s o g 中h c 原了比为1 2 1 6 。不同工况下，s o f 的平均分子量为 3 6 0 - - 4 0 0 。s o f 中包含各种未燃碳氢化台物、含氧有机物( 醛类、酮类、脂类、醚 类车u 有机酸类等) 、多环芳香烃p a h i 3 含氧与含氮衍生物等l i “，以及危害很大的s o z 、 n 0 2 、c 。、f 。、s 、c ，、z 。、p 等化合物。目前。通常认为多环芳香烃p a h 是碳烟产 乍的先导物，在富燃料状态f 生成的乙炔又是p a h 牛成的最重要的先导物，其微粒 第章绪论 牛成过程见有关文献1 1 6 ”t s l o 氮氧化合物n o x 是n o ；f u n 0 2 等的总称，丰要是n o 。柴油机丰要由两种途径牛 i & n o ：高温途径，即在已燃区产牛的n o ，称为热n o ( z e l d o v i c h n o ) ；瞬发途径， 即在火焰区产牛的n o ，称为瞬发n o ( f e n i m o r e n o ) ”“1 7 1o 在内燃机典型的燃气温度 剐接近殚论空燃比的条件下，n o 的生成服从扩充了的z e l d o v i c h 机理 l i 。由于n o 的 牛成反应比燃烧反应慢，只有很少一部分n o 产生在厚度约0 1 毫米的火焰反应带中， 大部5 ) n o 在离开火焰的燃气中牛成。研究表明，n o 的生成强烈依赖温度，如果反 应温度从2 5 0 0 k 提高至t j 2 6 0 0 k 时，n o 牛成增加+ 倍【l 。 柴油机h c 排放既有完全未燃烧的燃料，也有未完全燃烧的中间产物。中间产物 也括种类很多的碳氢化合物、含氧有机化合物( 醛类、酮类、酚类、酣类和脂类等) 及其它衍牛物【13 ”j 。柴油机未燃h c 的排放辛要来自柴油喷注的外缘混合过度造成 的过稀混合气，结果造成柴油机怠速或小负荷运转时的h c 排放高于全负荷工况。 h c i b 放也来自喷油器的残油腔容积( 喷油器喷嘴针阀座下游的压力室容积利喷孔通 道的容积) ，这是因为在喷油结束之后，该容积仍然充满燃油，在燃烧后期和膨 胀初期，燃油被加热汽化，进入气缸，错过主燃期而成为排气。当然，火焰在壁面 卜- 淬熄( 激冷效应) 也产牛h c 。 c o 是碳氧燃料在燃烧过程中牛成的卞要中间产物。试验表明，c o 的牛成受化 学动力学机弹控制，在预混火焰中，c o 的浓度在火焰区迅速达到最大值，它的牛成 机婵可以表示为：r h r r 0 2 一r c h o r c o c o ，其中，r 代表碳氢根，c o 在 燃烧过程中氧化成c 0 2 ”j 。 1 3 柴油机常规燃烧模式、排放控制思想与控制技术 柴油机常规燃烧方式是边喷边烧。随着人们使用先进的测试技术，对缸内燃烧 过程的了解，逐步清楚了柴油机n o 和微粒的牛成机理。上世纪八十年代的激光片光 测量法等的使用，能够测出油束中液体和气体分布，空燃比的时空分布以及着火点、 燃烧区利碳粒的分布。d e cj e 提出了传统直喷式柴油机燃烧过程和排放物牛成的 新模型【2 ，如图1 3 所示。f l y n np f ，d e cj e ，w e s t b r o o kc k 讨论了激光片光法测 量直喷式柴油机的燃烧结果，得出以下看法川： ( 1 ) 喷射柴油温度为3 5 0 k ，热空气温度为9 5 0 k ，卷入的热空气加热柴油至 6 5 0 k ，油束破裂。当温度丌高至j j 9 5 0 k ，燃料裂解，出现浓混合气预混火焰。此时 当量比约为4 ，温度8 3 5 k 。燃烧产乍的热量加热前面的混合气，温度升高到1 6 0 0 k ， 此时的放热量约为总热量的1 0 1 5 ，这就是放热率曲线上显示的预混燃烧。 薷争绪论 图1 3 直喷柴油机燃烧新概念模掣f 2 0 f i gi 3n e wc o n c e p t u a lm o d e lo f d id i e s e lc o m b u s t i o n 【2 0 | ( 2 ) 随后在整个油束出王见扩散火焰外缘。富油燃烧产物区向它不断输送富油燃 烧产物，产牛2 7 0 0 k 台勺高温外缘。正是在此外缘中进行扩散燃烧警成n o 和碳烟氧化， 其放热量约为总热量的8 5 9 0 。着火点在当量比为4 的浓空气燃料混合区，而不 是侄原来认为的在当量比为1 的油束靠近边缘的地方。碳烟的生成在燃烧早期时的油 束巾心部位，而原来认为是在扩散燃烧巾产生。在液核的下游观察到碳粒牛成，并 不断向前移动长大，到达油束外缘参与扩散燃烧，碳粒氧化。由于高温，此处生产 n o 。新概念燃烧模型认为碳粒的生成在温度为9 5 0 k1 6 0 0 k 之问的早期反应区， n o 是扯扩散燃烧火焰后的高温区生成。 从新概念燃烧模型可以看出，正是由于柴油机氮氧化物和微粒的生成条件各异， 降低氮氧化物的排放措施使颗粒排放增加，而降低颗粒排放的措施使氮氧化物排放 增加，_ 二者的净化方法相瓦抵触和矛盾。为降l k 氏n o x 和p m ，同时又保留柴油机燃烧 方固有的高热效率，人们提出了理想的燃烧放热规律【22 。2 3 ，如图l 一4 。i 表示降低 燃烧温度，减少n o x 撙放： l 表示保持快速燃烧和较高的燃烧温度，减少颥粒；i i 表下减少扩散燃烧，减少n o x 、p m 和改善燃烧经济性。 存预混合燃烧期将己燃的燃油量减少，可以降低燃烧温度，这样可以减少n o x 。 化学动力学研究表明，当反应温度从2 5 0 0 k 提高至u 2 6 0 0 k 时，n o 的牛成速牢几乎翻 一番。扯扩散燃烧期，燃油和空气混合良好且温度较高，可以降低p m 。扩散燃烧期 缩 l 豆可以改善热效牢。 新概念燃烧模型认为碳粒的生成在温度为9 5 0 k 1 6 0 0 k 之间的早期反应区，n o 是在扩散燃烧火焰后的高温区生成，两者的生成条件不同。同时降低柴油机丰要有 第章绪论 害排放物n o x 平i i p m 的燃烧过程组织目标就是要寻求同时避免满足上述两个燃烧研： 境，可以表不如图1 5 。该图芹上方是油气浓混合区，燃烧温度低，为碳烟牛成区， 右下方是油气稀混合区，燃烧温度高，为n o x 牛成区。阴影区为实际燃烧区，其油 气混合浓度和燃烧温度分布范围较广，阴影区左上方生成碳黑，右下方生成n o x 。 料 亳； 衽 g 瑟 l 亟亟盒丛缝 一 芷墼垡缝 y f j 气_ o | jj 、，裂l 】j ，j斗一_ r ，一l ，、 ! 曲轴转角 图l _ 4柴油机实际和理想燃烧放热规律的比较 f i g 1 - 4 c o m p a r i s o no f a c t u a lh e a tr e l e a s er a t e w i t h i d e a lh e a tr e l e a s er a t eo f d i e s e le n g i n e 丑 划 簦 低燃烧温度 高 罔1 5 川叫降低柴油帆n o x w p m 的燃烧模式 f i g 1 5c o m b u s t i o nm o d eo fr e d u c i n gb o t hn o xa n dp m 第草绪论 i 放 降低排放的思想降低排放的具体措施 喷射延迟喷射时间控制 燃烧率控弼 喷射率波形控制：引导喷射：喷 。印制降低燃烧滞度 孔直径减小 生成 进气冷却增肝中冷 惰性物质添加e g r ：水喷射 稀薄燃烧单级、：级预混合燃烧 降低氧浓度惰性物质漆加 e g r ；水 促进空气进入喷雾内喷孔直径减小；涡流控制：增压 抑制提高空气i 燃 增大进气罱 多气阀；增雎：进气系统改进 生成料的混合质疑， 提高空气利用率燃烧窒改迸 促进促进后燃期空增大紊流 高压喷射；高紊流燃烧室；涡流 氰化气燃料的混合 控制 增加燃料分布均匀程度 中置喷嘴 促进喷雾减小喷孔直释：高赝喷射 减少燃油碰擘促进雾化减小喷孔直径；高压喷射 抑制减少后喷减小喷嘴压力室容积超小压力室或无压力室喷嘴 一# 成 减少润滑油导 摄少润滑油消耗活塞环、气缸套改进 敛的s o f 排放 t a n ej 3m e a s u r e sl 。r e d u c en o xa n dp me m i s s i o n sf r o md i e s e le n g i n e l 2 4 合理燃烧过程组织的目标就是先在1 区燃烧，该区混合气浓，温度较高，如混 台气较均匀的话，n o x s l i p m 的牛成得到抑制。然后大部分燃烧在2 区发牛，该区为 稀混合区，温度较低，n o x 和p m 的生成也得到抑制。此种燃烧模式可以得纠理想的 燃烧放热规律。人们使用各种改善柴油机排放的燃烧技术，归根到底就是为了得到 匕述的柴油理想放热规律及燃烧模式【8 1 。 长期以来世界各国的研究者们提出了许多措施解决柴油机的有害排放，如燃油 改质、高压喷射、延迟喷射、喷油率控制、废气再循环及排气后处理等来降低排放 m 。l 。这些排放控制措施一般可分为前处弹、缸内处理和后处理二类 2 5 j 。当然，降 低柴油机有害排放物必须要综合多种措施【1 4 “i 。表1 2 表示降低柴油机n o x 干f l 颗粒排 放的措施e 4 1 。 1 4 内燃机燃烧和数值模拟技术研究现状 均质充量压缩着火( 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 ) 燃烧是内 燃机新代燃烧方式，它同时避免了碳则剩氮氧化物的牛成条件，两_ 手中排放物牛成 的量很少。h c c i 燃烧干lj 数值模拟在_ t 世纪九十年代以来是内燃机界研究的热点。 第章绪论 1 4 1h c c i 燃烧介绍 h c c i 燃烧综合了汽油机和柴油机的特点，即形成均质混合气和压缩着火 2 6 - 2 8 l 。 其实人们很早就自觉或不自觉地利用这种燃烧方式。二十世纪初期的“燃油蒸发式发 动机”、l o h m a n n 自行车的马达和本田公司的2 5 0 m l 摩托车发动机的燃烧就是采用 h c c i 这年中燃烧模式【2 ”川。它是有别于柴油机和汽油机燃烧方式之外的另一种燃烧方 式。一二种燃烧方式的发动机比较如表1 3 所示。 点燃式发动机压燃式发动机h c c i 燃烧式发动机 名称汽油机 柴油机m k ，a r ，r i ，a t a c ，c a i ，p r e d i c ，n i b u s ，h i m i c s 锋 燃料汽油等柴油等燃料范围j h 过罩空气系数 l 左右16 22 大j + 1 的宽广范用 混合气彤成方式化油器或喷射喷射进气道喷射，缸内早喷或晚喷 肴火点燃压缩着火通过肛缩，多处着火 燃烧方式预混燃烧 扩散燃烧为主化学动力学控制 火焰有有无明显的火焰前锋 燃烧温度高温 局部高温 温度扣刘低 循环方式等容加热y 昆合加热等容加热 向缸擘散热 最多多 少 热效率低高高 j 冀j ；油经济性低向局 n o x 高 l 吾】 低 p m低高低 h c 高低 目】 c o高低高 表1 3 三种燃烧方式的发动机比较 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 这种燃烧方式无明显的火焰前锋，由化学动力学控制，最高燃烧温度较低。这 种燃烧接近等容燃烧，有很高的热效率，它可以使用多种燃料。而柴油机和汽油机 的燃烧方式是基于燃料的物性，前者通过压缩而燃烧，以扩散燃烧为丰，后者通过 火花点火而燃烧，足预混燃烧【3 “。两种燃烧方式都不能解决碳烟和氮氧化物生成的 t r a d eo f f 关系。 h c c i 燃烧是内燃机燃烧方式的一场革命，它有很多未知的方面等待人们去挖 掘，它对降低内燃机排放和提高其经济性等方面有重要的意义，人们正在进行大量 的研究。 第章绪论 1 4 2 t t c c i 燃烧的技术措施 实班h c c l 燃烧关键有两点：均质混合气的形成和压缩着火。通过采取对燃料、 进排气系统、喷油系统、燃烧室、材料等方面的措施来实现h c c i 燃烧的具体技术措 施可以用图1 - 6 形象地表示。 图1 - 6 实现h c c i 燃烧的具体技术措施 f i g 1 _ 6d e t a i l e dt e c h n i q u em e a s u r e sf o rh c c ic o m b u s t i o n 射 自 世纪九十年代以来，含有h c c i 燃烧概念的燃烧系统有活化基燃烧( a r 、 a t a c , f t j r i ) 燃烧系统、可控自着火( c a i ) 燃烧系统、调谐动力( m k ) 燃烧系统、 均匀松散燃烧系统( u n i b u s ) 、稀薄预混合燃烧( p r e d i c ) 系统、均质合理的多 次喷射燃烧系统( h i m i c s ) 和美国西南研究院的均质进气压缩点火( h c c i ) 燃烧 系统。其它还有m u d l i c 、h c d c 、p c i 等。这些燃烧系统使用上述具体技术措施中 的一种或几种。 我国从上世纪八十年代末开始，就开始研究含有h c c i 燃烧概念的燃烧系统，如 卜海交通大学的可控活性化顶混合燃烧系统 3 3 年 j e g r w s l 3 4 i ，国内其它大学x 【寸h c c ! 燃烧也进行了大量的研究。 第幸绪论 1 4 3 内燃机h c c i 燃烧的数值模拟 h c c i 数值模拟可以分为单区、多区和多维模型。 ( ij 单区模型 h c c 燃烧的丰要特点为均匀的混合气，燃疑壶化学动力学控制。单区模型假设 开始计算时缸内的温度、压力利组分浓度是均匀的。单区模型能较好地模拟着火时 刻剧n 0 的排放，计算量小，似计算的缸| = 爆发压力过高，不能计算c o 和h c 排放。 t 安计算软件有c h e m k i n i ”i _ 手l i h c t i ”l 。 ( 2 ) 双区和多区模型 实际上，h c c i 燃烧时缸i = | 物理量是不均匀的，特别是对燃烧有重要影响的温度 利浓度。般区模型将气缸分为绝热内核区和壁面热边界区进行计算，每区温度和浓 度假设为均匀分布。多区模型是根据混合气温度和浓度的不均匀性将缸内分为三个 以卜的计算区，每区的温度和浓度假设为均匀分布【3 7 】。双区和多区模型比单区模型 更接近h c c l 燃烧的实际睛况。 ( 3 ) 多维模型 考虑到缸内物理量的不均匀性，多维模型将c f d 模型与详细化学动力学模型相 耦合来计算h c c i 的燃烧。w i s c o n s i n 大学的k o n g 等人利用多维模型在k i v a 3 一v 上研 究了湍流对h c c i 燃烧的影响，发现湍流影n 向h c c i 燃烧反应率。多维模型是晟接 近h c c 实际燃烧的先进模型，对计算机资源要求高。多维模型也是最近几年才发展 起米的1 。 1 , 4 4 存在的问题 作为一种有诱人前景的内燃机燃烧模式，其实用化需要解决很多问题。手要有： ( 1 ) 燃烧控制 所渭燃烧控制，指的是对h c c i 燃烧着火对刻和燃烧率的控制。常规发动桃可以 通过控制火花点火和喷油时刻来控制着火时刻。而h c c i 发动机着火时刻由压力、温 度利混合物组分决定的化学动力学所控制。其中尤以温度的影响最大，v c r 平i j v v t 是比较殚想的控制技术，i f l i v v t 不但改变有效压缩比而且改变e g r 的量，是非常好 的。个办法。 h c c i 燃烧在中小负荷时燃烧柔和，而在大负荷很难实现。伍大负荷时大量的燃 判儿乎同时迅速燃烧，带来强烈的爆震和对发动机的损坏。一般认为在大负荷下 h c c i 燃烧应采用常规发动机的燃烧模式，或采用分层燃烧。 第章绪论 影n l 自h c c l 燃烧的因素有温度、压力、空燃比、混合物的反应特性等，可以将影 响因素和决定影响因素的具体技术简要地表示在图1 7 6 0 。值得注意的是，燃烧控制 中的着火时刻的控制与转速有极大的关系。 影响因素 图1 7 燃烧控制的影响因素和具体技术措施 f j g 1 - 7i m p a c tf a c t o r sa n dd e t a i l e dt e c h n i q u em e a s u r e sf o rc o m b u s t i o nc o n t r o l ( 2 ) 均质混合气的形成 h c c l 燃烧需均质混合气，其制备是一个基本问题。它与燃烧控制、排放控制等 崭叨相关。 ( 3 ) h c h c o 的控制 h c c i 发动机有较高的h c 和c o 排放。在大负荷时，c o 与常规发动机差不多。 在中低负荷下，由于壁面激冷效应h c 排放很高，c o 也不能氧化成c 0 2 。但h c 利 c o 这两种排放干日对碳炯利氮氧化物来说，更容易通过后处理来解决。 第章绪论 ( 4 ) 冷起动和过渡工况 发动机起动时，温度低，向气缸散热也快，h c c | 发动机不易着火。通常采用以 r 方法：常规工作方式起动，再转换成h c c i 燃烧模式；使用v c r 、v v t 增加雎缩 比：采用预热塞。 发动机负荷和转速变化时( 过渡工兄) 着火时刻必须迅速变化以实现h c c i 燃 烧，这就必须要有良好的控制系统。 ( 5 ) 控制系统 良好的控制系统是实现h c c i 燃烧控制、冷起动、过渡工况等的关键。它包括控 制方法、硬件、算法、传感器等方面。 ( 6 ) 计算模型 目前用化学动力学等模型与传统的计算流体软件女i i k i v a 相结合, , - 对h c c i 燃烧进 行了些研究，也使用了先进的湍流模型【3 8 , 3 9 。当前h c c i 燃烧研究重点集中在二方 面：化学动力学机理、汁算流体动力学模型和湍沆、喷雾及蒸发了模型【4 0 1 。 其它需要解决的问题是燃料的研究、燃料系统设计和多缸效应等。 1 4 5 二冲程柴油机燃烧技术研究现状 h c c i 燃烧首先是由o n i s h i 等人在1 9 7 9 年左右在二冲程汽油机上发现的i “i 。他们 根据= 冲程汽油机在小负荷f 的残余废气量大和发动机断电不熄火这两个缺点，利 用缸内废气使混合气压缩燃烧，使发动机在小负荷下排放降低，燃油经济性提高， 循环波动小。他们称该燃烧模式为活化热气氛燃烧( 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 ，a t a c ) 。它也被称作活化基燃烧( a c t i v e dr a d i c a lc o m b u s t i o n ，a r c ) 或 原r 团点火( r a d i c a li g n i t i o n ，r i ) ，表示同一意思，其实都是h c c i 燃烧。它是以化 学动力学为基础使燃料在普通压缩情况下自行点火燃烧。这些活化苯保留到下一 循耶燃烧的开始，使发动机征无点火情况下稳定运转。它的最大特点是利用内部 e g r 。f l i 是，是否由内部e g r 中的活化基点火尚有争议。 比较成功的例了是本田公司住2 5 0 m l 摩托车的e x p 2 型二冲程发动机上试验性 地采用过a r 燃烧控制系统，在达喀尔汽车拽力赛上取得不错的成绩。该发动机为单 缸水冷直喷二冲程汽油机，它的压缩比为6 7 。该发动机的关键部件足一个a r c 阀， 通过它来控制排气口开度和排气口关闭时缸内压力( 表示为p e c ) ，负i 图l - 8 和图l 一9 所不1 4 “。 第幸绪论 图l 一8e x p 2 发动机横截面【4 2 i f i g 1 - 8c r o s ss e c t i o no fe x p 2e n g i n e 【4 2 图1 - 9 排气口处b a r c 阀4 2 i f i g 1 - 9a r cv a l v ef o re x h a u s tt h r o t l l i n g 【4 2 图110 给出了该机在转速3 0 0 0 r p m ，平均有效压力为o 2 m p a ，空燃比为1 4 时 确定最佳着火时刻的方法i “i 。当p e c l ) k 2 于o 1m p a ，不规则燃烧变成a r 燃烧，这时 h c 排放显著减少。当p e c 进一步增加时，压缩着火时刻逐渐提前，h c 排放也增加。 因此，最佳着火时刻定义为h c 排放最低时的着火时刻。 a rc o m b u s t i o n 0 0 80 10 1 20 1 4 0 1 6 p r e s s u r ea te x h a u s tc l o s e ：p c ( m p a ) 图1 1 0 确定最佳着火时刻的方法 4 2 1 f i g 1 - 10w a y t od e c i d ea u t o i g n i t i o nt i m i n e 第章绪论 图卜1 1 可以看出a r 燃烧的优点【4 2 】。当平均有效压力较小时，常规燃烧的指示压 力波动( c f p m i ) 较大，h c 排放和有效燃油消耗率也较大，而通过a r 燃烧可以改善 小负荷时发动机的燃烧和排放。 00 5 一i o0 4 三o0 3 暮o 0 2 bo o 上 、 2 u z n i c 口”。 c o m b u # t o n l i - - l 、a rb o m b u “” 4 0 0 0 ，未| a ，ff o rm i nb s f c i it l ： ，c o n yc o m b u s t l，n - i 7 入 、叶。多 夕 a rc o 搿b u s t z ；争、r 7 图1 12 表刁i 发动机转速为4 0 0 0 r p m h 寸，以排气口开度和节气门开度为啦标轴的 乎均有效压力m a p 图【4 “。每一平均有效压力下最佳压缩着火时刻用黑点在a r 燃烧区 中标出。这样，在a r 燃烧区，a 线就表示通过调节a r c 阀确定的0 ；同平均有效压力 卜的最佳压缩着火时刻。在常规燃烧区，a 线为每一平均有效压力下对应节气门开 j 叟最小时的连线。b 线表示常规排气【j 固定开度。结合图1 1 1 ，在平均有效压力低 t ：0 3m p a h 寸，常规燃烧h c 排放利有效燃油消耗率不理想，通过控制a 线，采用a r 燃烧，它们可以得到改善。图1 1 3 表示由节气门开度和发动机转速决定的三维a r c 阀开度m a p 图【4 “。 第章绪论 i r r e g u l c o m b tj s t i o n | b ar e & 力 西 ，一一 一7 ， _ _ 一一 繇 、 05 i v 、 - 霪笏物荡岁墩z 7 - 薅缓荔 形觚c 簿掣而n 夕 o 4 m p a 簌丝眵矗3 瓴 ， ：麓么纺锈7 i ? p 氡， 图l - 1 2 平均有效j 卡力m a 口图4 2 】 f i g i - 1 2m a po f b r a k em e a ne f f e c t i v ep r e s s u r e f 4 2 】 图l - i3a r c 阀开度m a d 图 f i g i 1 3 c o n t r o l m a p f o r a r c v a i v e l 4 2 j 图1 4 ：l 较了小负荷h e a r 燃烧和常规燃烧的发动机扭矩特性4 2 1 。常规燃烧在节气 i 开度小f 2 0 时产牛不规则燃烧，导致扭矩较大的波动。即使在这一区域，a r 燃 烧比较规则拙矩波动较平滑。 【a ja rc o m b u s t i o ne n g i n e( b ) c o n v e n t i o n a lc o m b u s t i o ne n g i n e 图l _ 1 4 丰h 矩特性 f i g 1 14t o r q u ec h a r a c t e r i s t i c s 【4 2 】 e g r ：i a 术是控制h c c i 燃烧的有效于段。二冲程发动机的特点之是可以实现内 部l 三g r 。目前，h c c i 燃烧模式在二绅程发动机的应用或研究多是在压缩比低的汽油 机卜进行，燃料为低卜六烷值、高辛烷值的汽油类的燃料。在压缩比高的冲程柴 油机上进 ：h c c i 燃烧的研究很少，例如象柴油类或汽油类的燃料在h c c i 燃烧模式 加 加 一鬟一 正ou一_日口cc兰o l s j 再量u 一 星兰竺丝 下的燃烧特性。二冲程柴油机预混合压缩着火燃烧有待探讨如下f 3 题： ( 1 ) _ 二冲程柴油机利用早喷制备预混合气的问题。丰要研究进气滚流、涡流、 挤流、喷嘴结构利活塞形状对混合气浓度场和温度场的影响，i 而混合气浓度场和温 度场最终影响预混合压缩着火燃烧的着火与燃烧。 ( 2 ) 二冲程柴油机内部e g r x - c j - 预混合压缩着火燃烧影响的j h 3 , n 。研究内部e g r 的高温作用、比热容作用、稀释作用利化学作用对预混合压缩着火燃烧的影响。 1 5 本文研究目的和主要内容 h c c i 燃烧受化学动力学控制，特别是气体流动过程对燃烧特性的影响非常大。 水文研究目的是研究柴油类燃料在二冲程柴油机的流动过程，以及内部e g r x r j 它俐 的影响。 研究p , j 容丰要围绕数值模拟缸内气体流动过程利计算彳i 同3 2 7 兄t 的e g r 率。因 为内燃机缸内气体流动是内燃机整个工作过程中各个物理和化学子过程的共同基 础。扫、排气流动直接决定内部e g r 率，缸内气体流动决定可燃混合气形成的浓度 场和温度场，也影响燃烧速率和向缸壁传热，以及有害排放物的牛成。 第每 ：冲程发动机试验系统和研究方法 第二章数值模型和研究方法 2 1 气体流动数学模型 气体流动控制方程是由连续性方程、动量方程、内能方程、r n gk 一湍流模 型和一组补充方程构成h 3 。“。 组分m 的连续性方程 ! 譬坠十v ( p 。却) = v 【p d v ( 旦旦) 】+ p 二+ p 5 占。】 ( 2 一1 ) u o p 混合物的连续性方程 譬+ v ( ) ： ( 2 2 ) 混合物动量方程： 百a ( p u ) + v ( p u 加一专即- a o v ( ；肚) + v a 仆。+ p g ( 2 - 3 ) 其中，口= a v u + ( v ) 7 】+ 旯( 甲u ) s 内能方程： 旦；拿盟+ v ( p “，) = 一p v “+ ( i a o ) 盯：v “一v ，+ a o p e + 圣c + 垂一 ( 2 4 ) 其中，j = 一胛7 一胪丸，v ( ) 列缸内湍流的模拟采用r n gk s 湍流模型f ”i 。r n gk s 湍流模型是基于重 整化群( r e n o r m a l i z a t i o ng r o u p r n g ) 方法导出的k s 湍流模型。它的基本思路是通 过在空间j 度上的一系列连续的变换，对原本十分复杂的系统或过程实现粗分辨率 的或“粗粒化”的描述，从而使问题得到简化而易于处理。所谓“重整化”就是通 过尺度变换重新定义方程中的粘性系数、外力和截止波数( 限定消去波数的范围) 等 参数。这一系列消玄和修正的过程在数学上相当于一组连续的变换。而所谓“群” 就是为保持大尺度运动方程形式不变的一组消去和近似的连续过程。r n gk c 模 掣对预混合燃烧和膨胀过程的放热率模拟具有较强的模拟能力，模拟结果更接近实 际情况。r n gk 一模型具有如下形式： 掣+ v 伽耻口旧砒卜一p c s ， 第章：冲程发动机试验系统和研究方法 挈+ v 埘沪口旧v s 卜k g k - c 。譬一等笋昙g 心勘 其巾，g 。为湍动能的产牛项，瓯= 2 p ( ) ，其中= 三( + 豢) ， ”= 华；脚诅s s 一，= 竿。 补充方程： p = a 。，( p 石) ( 2 - 7 咿) = ( p 形) ，。( 丁) ( 2 - 8 ) ( | ，( 7 _ ) = ( - ，。( r ) ( 2 9 ) _ 。( t ) = l ，( t ) + r 。t ( 2 - 1 0 ) 9 。，是第m 种物质的密度，p 是全部物质的密度，t l 是流体的逑度。d 是扩散系 数，p j 和p 。分别是化学反应和喷雾的源项，占是d i r a cd e l t a