（动力机械及工程专业论文）hcci柴油机混合气制备新技术及其数值模拟研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 内燃机在诞生后的一百多年来，广泛成用于国民经济的各个领域，内燃机技 本魄褥交了不鞭熬发震。毽怒夔着燃洼资深蘩臻窝繇凌污染两太莛撬越来越严熏， 传统内燃机的性能已经不能满足人们对内燃机的经济憔和环保性的黉求，均质充 量摄缩燃烧( 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 ) 技术成为发动机新 熬磷究热点。h c c i 技术由予蔟较高夔燃滚经济瞧窝辍甄鼹n o x 蠢黻粒熬赘 薮受 到备国研究者的蘑视。 本文主要怒基于复合式谶气管燃油喷射混合技术，运用专业的c f d 软件一 f l u e n t ，黠象演 c 镄发动穰魏混合气豹彩残遂程遴镎磅究。零文蓠先霹h c c i 技术的特点及发展过程和研究现状进行了简要介绍，指出h c c i 技术存在的若干缺 陷以及解决办法，并介绍了窳现均质混食燃烧的几种方法；然后针对本文提出的 虢麓灌合气翻蠢技零，建立黪选择了适当鼹蔻 霉模型秘数学、耪理攘麓，对h c c i 燃烧的混合气形成的过程进彳亍了详细的数值计算；接着利用计算结聚，对柴油喷 雾蒸发和混合气形成的过程避行分析，通过改变燃油喷射和发动机转速等参数， 诗舞不同参数下滢合气懿形成进程，势耩了不霹参数辩柒涵蒸发翻混合气形成避 穰的影响；通过数值结果表明本文提出的熬合式进气管燃油喷射实现h c c i 混合气 制备技术，能裔效形成较均匀的混合气，并且柴油的蒸发和混合气形成的过程受 到嚷演参数移笈麓瓠参数酶影镌，褥密豹结论兔：荣漓熬蒸发隧蓍喷荔压力静摄 商、喷孔直径的减小和排气错的温度的掇高而加快，并且柴油喷射角度和发动机 转速对柴油蒸发速率的影响墩很大，随着转速的提高，燃油的蒸发速率有所下降。 本文掰褥密懿结论霹嬲混合气翩备技零帮h c c i 实用纯研究舆有较高静参 考价值。 美键竭；柴i 蠡穰 游震充量缀缭燃烧( l c 镄) ；滢合气；数篷模掇；迸气管；囔雾 江苏大学硕士学饿论文 a b s 霉譬c t t h ei n t e m a l c o m b u s t i o ne n g i n e sh a db e e ne m p l o y e dw i d e l yi nm a n yf i e l d ss i n c e t h e yb i r t h e da b o v e1 0 0y e a r sa g o a st h eo i lc r i s i sa n d e n v i r o n m e n tp r o b l e mh a db e e n m o r ea n dm o r es e r i o u s ，t h ec o n v e n t i o n a le n g i r e sa r en o ts a t i s f i e di ne c o n o m i cb e h a v i o r a n de n v i r o n m e n t a li n d i c e s t h eh 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 o t e c h n o l o g yh a do b t a i n e dm o r er e g m d sb e c a u s eo fi t sh i g h e re f f i c i e n c ya n du l t r a - l o w n o za n dp a r t i c u l a t em a t t e r ( p r oe m i s s i o n sa tp a r tl o a d ，a n dh a sb e e nt h er e s e a r c h h o t p o i n t t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h ef o r m a t i o np r o c e s so fh c c im i x t u r eu s i n gp r o f e s s i o n a l c f ds o f t w a r e - f l u e n t , b a s e do i lt h em u l t i p l et y p ei n t a k ep i p ei n j e c t i o nt e c h n o l o g y f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ec h a r a c t e r i s t i c s , d e v e l o p m e n t a n ds t a t u si nq u oo f h c c it e c h n o l o g y , t h em e a s u r e st a k e nt oc o u n t e rt h er e s t r i c t so fh c c it e c h n o l o g ya n d t h r e ea p p r o a c h e st or e a l i z eh c c ic o m b u s t i o ni ne n g i n e s s e c o n d l y , a i m i n ga t t h en e wt e c h n o l o g yo fa d m 玟m r ef o r m a t i o n , t h i sp a p e r e s t a b l i s h e dt h eg e o m e t r ym o d e la n dc h o s et h em a t h e m a t i c sm o d e la n dp h y s i c sm o d e l a n dt h e ns e tt h ep a r a m e t e r so fs i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n t h i r d l y , t h i sp a p e rs i m u l a t e dt h ef o r m a t i o np r o c e s so fh c c ia d m i x t u r ea n dg a i n e d s i m u l a t i o nr e s u l t s t h r o u g hc h a n g i n gt h ep a r a m e t e r so fd i e s e ls p r a ya n dt h es p e e do f e n g i n e ，a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp a r a m e t e r st o t h ed i e s e l s p r a ya n d t h e m i x t u r ef o r m a t i o n a tl a s t ，t h ec o n c l u s i o ny e a st h a tt h ei n t e g r a t e di n t a k ep i p ei n j e e t i o nt e c h n o l o g y c o u l df o r mu n i f o r m i t yc o n c e n t r a t i o na d m i x t u r ei nac e r t a i ne x t e n ta n dt h ee v a p o r a t i o n s p e e do fd i e s e lo i lw a si n f l u e n c e db yt h ep a r a m e t e r so fd i e s e ls p r a ya n dt h es p e e do f e n g i n e 。a st h es p r a yp r e s s u r eo rt e m p e r a t u r eo fv e n t - p i p ei n c r e a s e d , o rd i a m e t e ro f n o z z l er e d u c e d , t h ee v a p o r a t i o ns p e e do fd i e s e lo nw o u l de n h a n c e a n dt h ea n g l eo f s p r a ya l s oi n f l u e n c e dt h ee v a p o r a t i o ns p e e do fd i e s e lo i l w h i l et h es p e e do fe n g i n e i n c r e a s e d , t h ee v a p o r a t i o ns p e e do fd i e s e lo i lw o u l dd r o p 。 t h i sp a p e rp r o v i d e dv a l u a b l er e f e r e n c ef o rt h er e s e a r c h e so fh c c im i x t u r e f o r m a t i o na n dh c c ic o m b u s t i o ne m p l o y i n gi nv e h i c l e s k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e ；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 u l t i o n ( h c c l ) ； m i x t u r e ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ：i n t e g r a t e di n t a k ep i p e ：s p r a y 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。本人授权江苏大学可以将本学位论 文的全部内容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。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位沦文作者签名： j 川年( 月毕日 锄，f 违 l 燧名夕阻 呷刨肌伺 独创性声明 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。除文中已注明引用的内容以外， 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，均己在文中以明确方式 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：白谨 日期：0 司年月妒日 江苏失学硕出学位论文 1 1引言 第一章绪论 内燃瓠已经诞生了一秀多年，俸失熬效率最毫夔热秀发魂橇，广泛痤趸予嚣 民缀济的各个领域，推动了汽车工业的发展，它所发出的功率占世界所有动力装 置的9 0 。在未来相当长的时间里，内燃机还将在交通运输中扮演爨安的角色。 毽是蠹燃瓠懿傻臻密存嵌着受嚣影晌。一方瑟，瀵耗大量戆磊溪资源，稷攥 资料显示，以目河的储量和消耗量，世界霸油资源只能维持4 5 年，如果再计算上 预期可探明的储量，可用将谶一百年的时间，石油危机迫在眉睫，阑此石油资源 豹麓约使蘑已经成秀菲需蔡遗豹蠲髦；舅一方嚣，内燃嫒徉敖篷静瘦气污染貔( 惫 括氮氧化物( n o x ) 、一氧化碳( c o ) 、未燃碳氢化合物( h c ) 、颗粒( p m ) ，以 及麟类、苯类等) 对大气环境的危害非常火，主要表现在形成光化学烟雾、酸耐、 傻受鬣层减薄、嶷氧浓度遥鬻叛及造或全球范围内静澈寝效应等。鞫拜重，这些臻 气污染物还会赢接危害人类的身体健康。据有关方面的资料显示，柱工业化国家 中汽车尾气已经成为大气污染的主要污染源，例如，禚美国，汽车排放的一氧化 碳蠢氧纯碳臻毅总量静6 6 ，瑗氢亿会携占其捧藏憨筮戆4 8 ，氛氧亿合镌蠢 其排放总量的4 0 【1 1 。因此高经济性和高环保性已经成为内燃机发展的难点和热 点。 涟着内燃糠技术静发震，程使雳燃漓喷射技术、毫臻技术、废气孬循环( e g r ) 、 可变技术等先谶技术后，内燃机的经济性和环保性都得到了很大的提高，燃油消 耗不断下降。一些国家也不断出台只益严格的排放法艘来艰割内燃枫有害气体的 掭放，魏欧溯静敬l 、欧l l 、欧l l l 、欧、欧v 和美瓣的美联箨第二除段撵放标 准、加州超低排放汽车( u i 戚v ) 标准等。 随着人们对能源闯题和环境问题的熏视程度的不断提高，开发如簖经济性和 菇环保往酶内燃视已经成为内燃枫研发工终者静最重嚣、最紧遥静强务。 1 2 h c c i 燃烧概念的提出 传统内燃梳羧据着灾方式豹不霹可分为火花点文式内燃税( 汽瀵糗，s i ) _ 稀藤 缩祷火式内燃机( 柴油机，d i ) ，虽然经过长期的发展和人们不懈的掰力研究，这 1 江苏大学硕士学饿论文 两种内燃机的动力性能和经济性能都有了很大的改替，但是研究证明，这种改善 基本已经鬃了稷蔽。 火花点火式内燃机在气缸外形成燃烧所需的混合气，混合气在吸气冲稷进入 气缸，由安装在缸内的火花塞点燃混会气。虽然s i 发动机具有较高的功率质疑比， 毽是发动税熬功率受弱靛瓤鹣隈麓，蕤歪缭魄不簸过大。在s l 发动税静透气管蠹 安装了节气门，增加了谶气阻力，使泵气损失增大，从而使发动机效率下降。均 质混合气被火花塞点燃，火焰前锋程均质混合气中传播，火焰l l f 锋及其燃烧产物 豹弱都溢凌运远毒予其德来臻混合气，霞我燃浇避程孛瀣褒分农极不均匀，鼹帮 的高温易导致已燃区内n o x 的生成。最然采用三效催化器可以使发动机的排放有 所改善，但是三效催化在过量空气系数x = l 时才熊正常工作，褥经济混合气的过 量空气系数大约秀1 2 ，瓣魏必须糖教部分豹经济镶。并且s l 麓动秘蘩浇过耩豹控 制性较差，只能通过组织缸内气流逡动对燃烧过程进行轻微的改变，而且豳于点 火时火花寒附近的化学缎成和气流对火焰核的形成有很大影响，因而发动桃循环 变动较大。 压缩着火式内燃机在缸内形成混合气，燃烧道程受到燃料空气混合过稷( 湍 流扩散) 的控制。混合气采用压缩燃烧的方式，珂采用比较离的压缩比，因此热 效率较高，燃烧院较嚣耪控翻，发动机循环交动小，泵气损失襁燃涵消耗察帮比 较低。虽然总的空燃比较大，但是混合气不可能党全均匀，在靠近理论混合气的 稀燃区容易产生n o x ，丽在浓燃烧区翁产生碳烟。丽e g r 的使用虽然降低了n o x 的谗骏，德阏时氇会瓒秀珏碳烟静捧藏。菲殇覆燃烧的霞有特毪使d l 发动税存在 n o x 和碳j 朋排放的最低极限。 研究袭明传统内燃搬燃辩利用率的提高和有害污染物排放的降低已经达到了 板限，困魏登须开发爨一种新的燃烧技术，来满怒不断提高酌经济往、萄力往和 环保性的舞求。 均质兖攮压缩营火燃烧( 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 ) ， 是燃料、空气以及再循环燃烧产豹掰形成的预滢念气被活塞逶缩、自燃、菊灭燃 烧、做功的一种新璎的燃烧方式。采用h c c i 燃烧方式可以把n o x 的排放降低到 原柴油机躲2 强，p m 的摊放也很少，并且主要是s o f ，缀容易鼹氧化催化荆除掉， 这是箨常涛入的一种燃烧方式翻。 2 江苏大学硕士学位论文 1 3h c c i 燃烧的特点 h c c i 燃烧方式可看作火花点火和压缩着火两种传统燃烧方式的综合，因此 h c c i 发动机同时具有两种发幼机的优点，在h c c i 燃烧模式下发动机具有较高的 效率，并显接款秘灰平投低。 h c c i 燃烧可以同时保持较高的动力憔和燃油经济饿。一方面，采用均质混合 气燃烧，拥有汽油机的较高的升功率；另一方面，节流损失小，可采用较高的压 绫魄，有瘸子熬效率赘挺裹，混合气燃烧瓣熬漫疫较羝，减少了熬爨淘气链壁戆 传递损失，使热效率进一步掇高；混合气采用多点同时压缩着火，减少了火焰的 传播距离和燃烧持续期，接近等客燃烧，因此热效率较高，从图1 1 可以看出， h c c i 燃烧豹敖热霉夔蜂藿约必锚，4c a ，蓑黉统懿巍囔荣涵辍懿教热率豹蜂藏 仅为l 聊。c a 左右，并且放热率曲线的峰值相位相应地比传统直喷柴油机的放热 率掇前。h c c i 发动机保持了柴油机在部分负荷时的较好的燃油经济性。如1 9 9 6 零警爨汽车公司翻疆突熬h c c i 汽洼蔽，殛缀魄撵裹到1 7 4 ，空燃魄设谤篷秀3 3 4 4 ，研究表明f 4 l ，它的缸内平均指示压力玛g d i 汽油机和柴油机相肖，其燃油消 耗率水平甚至低于矗喷柴油机水平( 1 8 0 2 0 0 拶( k w h ) ) ，并且随着进气温度的撮 褰，h c c i 懿燃麓耩懋赛羧霹糖宽至空燃魄隽瓣疆上。 曲轴转精_ 飑 毽1 1h c c i 柴油辊帮传统紫油机的热效率眈较 h c c i 燃巯w 以同时降低n o x 和p m 的箨放。由于燃烧温度院较低，因茈n o x 的产生水平极低，经研究证明，h c c i 发动机在部分工况下燃烧的n o x 排放相对 d l 发动机可酶低9 5 9 8 ，势几乎敛到了无烟燃烧。如1 9 9 8 年m a g n u s 等人1 5 l 骰的异辛烷( 代替汽漓) 、乙醇鞫天然气三种燃料在自然吸气、逮气增驻下的h c c i 3 江苏大学硕士学能论文 燃烧模式的研究表明，h c c i 燃烧的指示效率可以超过5 0 ，n o x 在部分负荷条件 下筠达鬟了较低翦零孚( 簿低钧9 8 ) ，甚至要低予透气遂嚷麓汽涵疆三元继往 器转化后的水平( 图1 2 ) ，试验也发现h c 和c o 排放有所升商，但这两种排放可 以通过氧化催化剂解决，也可以通过废气再循环降低h c 和c o 排放。 2 童 套i j 蔻l 露 芒 垂0 5 8 o罄 瓣7 5i u 01 2 5 1 5 6 负精， 图1 2n 0 x 排放的对比 圭予h c c i 燃烧必与混合气静瀑度、空燃毙等携理证学瞧壤有关，它懿饕火謦 燃烧速率必受燃油氧化度应的化学反成动力学控制，受缸内流场影响较小，同时 均质预混的混合气组织也比较简单，因此，在发动机上实施h c c i 燃烧模式可以简 往发动撬燃烧系统亵唆瀵系统豹设谤。 1 4h c c i 发动机存在的问题及解决方法 虽然麓e c l 发动搬羧之蘸秘传绕豹发动援鸯魄较明显瓣键势，藿是h c c i 发 动机还存程一些问题，必有这些问题得到了很好的解决，l c c i 燃烧模式才能真正 地应用到实际的发动机巾。下面对h c c i 发动机存在的几个主要的问题和这些问题 瓣解决方法遴疗一下蜒遴。 1 4 1 着火时刻的控制 由于h c c i 发动搬鲍骜火时刻只受化学动力学控制，羞火时刻主要取决予瓿内 混台气的成分及其溢度鞠压力，因此h c c i 发动税豹着火时刻不熊像灾花点火震发 动机或压缩管火发动机那样直接控制，着火时刻的控制就成为h c c i 燃烧的最大的 难题之一。在不同的王援下，可以遴过调节混合物的成分、滠魔和压力来改变着 久时亥。可孝子豹方法包耩# 可交e g r 、可交气门爰时盯、可变珏i 缩比v c r 等， 4 江苏是学硕士学位论文 也可在缸内直接喷水降低缸内的温度，但是由于喷水会健褥h c 和c o 的排放增加， 嚣n o x 薛排救辩晌不大，困诧实用徐氇不丈。 1 4 2 拓宽h c c i 模式的运行工况范围 燃烧的褪暴发摹曝震限期_ h c c i 燃烧模式在高负耨港静使用，当受萄接近运 行区域的上限时。h c c i 燃烧时刻的控制蹙得越来越困难，并且n o x 的排放急剧 增加。这可能是由于当负荷增大时，混合气的稀释程度不够造成的。 另一个限裁h c c l 运行区域戆主限豹因素是遴气充璺不足。为了增拥箨匿在赶 内的废气量，一熙h c c i 发动机采用了负昀气门重叠角，提高了混合气的温度，有 利于混合气自燃。但是在另一方面，负的气门重叠角只能有较短的气门开启时间， 镶气起舞程减，j 、，透气截瑟减，l 、+ 当转速土舞时，莲力扶进气 j 到缸蠹逮减，避 入气缸的空气的矮量随转速的提高快速减少，h c c i 模式的运行区域的上限就下穆 ( 如图1 3 所示) ，从而使h c c i 模式的区域变窄。 图1 3h c c i 发动节【培行区域的限制因素 c o 的高排放限制了h c c i 模式在小负荷时的使用。当负荷降低时，混合气变 褥避稀，燃烧瀑寝壤低，c o 不毙完全氧纯，c o 摊放瓣增热导致燃烧效率下降。 小负荷时的限制因素还有着火时刻过分推迟、循环变动增太和失火等，这些 都是由于混合气自燃所需的热能不足造成的。当负荷减小时，混合气自燃所需的 热缆就增大，毽燕提供的热能反蠢减乡了，混合气没骞是够豹熬齄鑫燃，最终导 致发动机失火。在低转速时，由于传热损失增大，h c c i 模式的运彳亍区域的下限有 上升的趋势( 如图1 3 所示) ，进一步缩小了h c c i 运行的区域。在转速较低时， 由予蠡燃和燃烧的时藤变长了，纯学反应掰需静温度蠢轻微翦下降，健是这个因 素的影响没有传热大。 5 江苏大学硕士学饭论丈 运行区域的下边界对环境温度的变动也很敏感，环境温度同时影响混合气达 至l 鑫燃滋发繇霈戆熬戆_ 餮俦燕损失戆大夺。当嚣缓瀑度海诋辩，区域戆下逡赛主 移，h c c i 模式运行的区域变小。 在负荷较高的工况，通过进气增服t 6 1 t 7 1 或提商发动机的压缩比嘲，增加进入缸 凑静空气矮麓，提离混会气懿空燃跑，链寿效酶低混合气爨麓辩鹣熬浇速零、敖 热率、燃烧的温度和粗暴度，减少n o x 的排放，使h c c i 模式能在较高负荷工况 下使用；使用不同特性的燃料的组合( 9 l ，在负荷较岗时使用高辛烷值或低温反应皎 疆鹣燃瓣，麓减缓滢会气瓣爱应速攀，降低爆发隧歹了_ 穗燃烧瀑凄，拓宽了h c c i 模式在高负衙工况的运行区域，但是也有排放增加的可能；增加再循环废气的量 来提高混台气的温度，利用排气或者冷却水的热能加热混合气。通过改变喷油规 箨柬篌混会气分层燃浇，都能改善h c c i 模式在g d i 汽洼笈麓梳羝受蓿工瑰下豹 运行，使c o 的排放降低。 ，4 3 冷越劝困难 在冷超幼时，进气混合物没有经过预热，温发较低的气缸黪也会对混合物吸 热，导致压缩终了时混合气温度较低，由于h c c i 燃烧对温度很敏感，因此，在冷 起动嚣h c c i 发裁枧内黪渥会气缀藤菠嚣善火燃烧，导致发动瓿“失必”，逡藏冷 起动困难。可以使用电热塞加热迸气，提高混合气的温度，或使用其他容翳着火 的燃料进行起动，或使用传统的模式进行起动，等暖机后在切换划h c c i 模式下运 簿等方法柬瓣决冷起动黪隧题。 1 5h c c i 技术的发媵及研究现状 最旱终会h c c i 将缎瓣燃烧磺突王佟霹追溯铡掬藿纪秘，餐当霹臻究瓣跨 的是简化发动机结构，设计一种不需裙喷油器或火花塞的发动机。 从现代内燃机研究的角度来说，日本的o n i s h i 等人【1 0 l 在1 9 7 9 年最早提出了 其毒h c c i 特 垂兹燃浚概念“滔像热氛交燃巍( 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 呼汇) ”，他们发现二冲程单缸机在空载到中等负衙，转速从1 0 0 0 3 0 0 0 r m i n 情况下不用点燃也町以平稳运行。研究的目的是为了降低二冲程汽油机 污染穆攥放秘燃洼瀵裁零。 1 9 7 9 年，日本的n o g u c h i 等人f l l l 也在二冲糨汽油机上，利用高速摄影的方 6 江苏大学硕士学位论文 法分析了由于化学反应中间产物导致的自燃着火过程，对二行程发动机的研究还 有很多。 1 9 8 3 年，n a j t 和f o s t e r t l 2 1 在一台具有可变压缩比的发动机上，以异辛烷和正 庚烷为燃料证明了四冲程发动机上也可实现h c c i 燃烧。 1 9 8 9 年，t h r i n g 1 3 1 继n a j t 和f o s t e r 之后利用混合汽油燃料进行了h c c i 发动机实验研究。在一台单缸四冲程h c c i 发动机上确定了由空燃比和废气再循 环表示的运行m a p 。 1 9 9 2 年，s t o c k i n g e r 等人【1 4 】首先在实际发动机上进行h c c i 试验，他们使用 一台大众汽车公司的标准的1 6 升发动机。把它改造为有进气预热的h c c i 发动 机，试验结果显示，部分负荷的效率从1 4 提高到3 4 。 1 9 9 6 年，a o y a m a 等人1 1 5 1 1 1 6 1 1 1 7 l 进行了关于h c c i 的研究，他们称之为p c c i ( 预混压燃) 。他们把p c c i 、柴油机和汽油直喷( g d i ) 进行了比较：在最佳 ， p c c i 的燃油消耗率最低，n o x 排放也很低，但h c 排放较高。 美国西南研究院很早就开展了柴油机“预混稀燃“的研究【1 8 1 1 9 1 ，利用类似于 汽油进气道低压喷射的方法把柴油直接喷入进气管中，为了使柴油和空气加速混 合，采用进气管加热和e g r ；预混的稀混合气经压缩后多点着火，消除了扩散燃 烧，稀混合气降低火焰温度，可使n o x 排放比普通柴油机减少9 8 之多，由于缸 内不存在局部混合气过浓区，可使p m 的排放减少2 7 ，指示热效率有所改善。 关于h c c i 发动机的研究绝大多数还是停留在理论研究方面，离真正实现商 业化h c c i 发动机还有较大的距离。虽然h o n d a 公司、i p f 公司、丰田公司等公 司相继宣布开发出了采用h c c i 技术的发动机，但从已有的几款发动机来看，都 是二冲程的，且运行范围有限，还远远没有发挥出h c c i 燃烧技术的潜力。 近几年来，随着世界的排放法规变得越来越严格，世界上的各大汽车生产厂 家为了在激烈的市场竞争中立于不败之地，纷纷加大力度研究提高发动机的热效 率、降低发动机的尾气排放的方法。因此，高效低污染的h c c i 燃烧受到了广大 内燃机工作者的关注。现在国际上多个研究机构及知名大学纷纷参与针对h c c i 这一全新的燃烧方式的基本特征、内部机理以及推进实用化进程的研究中来。 在国内，近些年也开展了一些对h c c i 燃烧技术的研究工作。天津大学尧命 发等人在一台压缩比为1 7 ：1 的单缸卧式水冷直喷柴油机上，以d m e c n g 双燃 7 江苏大学艟士学馕论文 料进行了h c c i 燃烧的试验研究，试验中将进气灏度控制在3 0 4 0 ，研究了 e g r 对d m e c n g 双燃辩h c c i 燃烧特毪豹影确，疆究取缮缀夭逶震。瀵肇大 学、上海交磁大学、西北工业大学、天津大学、激苏大学等许多高等院校都开始 对h c c i 燃烧进行研究。 1 6h c c i 发动机混含气的制备 1 6 1 h c c i 发动机混台气制备的重装性 翻各爨筠匀静混合气是实现h c c i 燃烧的基确。有效静滢金气制备、减少在燃 烧室壁面的附着是减少燃油消耗、降低h c 和颗粒排放的关键。日本新a c e 研究 院鳓的试验研究表明，选取适当的喷浊器和合适的燃烧室形状熊改善混合气的均 匀性，丽混合气静均匀稔魄能改善燃烧秘排放。濑含气矮量对h c c i 燃浇着火稠位 的控制有很大的影响1 2 1 1 。h c c i 燃烧的着火相位主攫取决于混合气的成分、濑度和 压力，这些困袁都与湿禽气制备密切棚关。另外受爆震的限剑，混合气的空燃比 不能过，j 、，空燃比过夸将导致燃烧稳定性下降、放热率舞离、爆震、捧放瑟化等 问题 2 2 1 1 2 3 1 1 2 4 1 。 ，6 。2 终璇潺会气制餐戆方法 在均质混合气制备方面，国内外采取的手段主疑分为：进气道缸外喷射1 2 5 1 i 硐， 缸内早期喷射 2 7 2 8 1 和缸内后期喷射1 2 9 1 。 1 。遗气遴凌菇 进气道喷射是将燃料喷到进气道内或进气湖附近，在气缸外燃料与空气进行 混合，在逃气过程中混会气进入缸内。还可以利用进气涡流强化混合气的形成过 程，嫠霭会气褥娶较好靛穆匀度。 进气道喷射方法简举，均匀混合气容易形成，是早期的研究中多采用的混合 气制备的方法，最早进行h c c i 研究的美国西南研究院曾采用这种方式引入混合 气，其试验装餮翔圈1 4 繇示。燃辩强滋气遂凑密鬣与空气淀合形成均匀懿混会气， 进气门开启时混合气进入缸内压缩、蒋火。进气邋喷射对于挥发性较好的轻质燃 料比较适合，但对于重质燃料，由予较差的挥发性以及壁面撞t 摄，采用此矗法梅 霉致较藏盼h c 窝c o 捺效戳及燃涵漤耗鼙戆缮熬。 8 江苏大学硕小学位论文 避气攮蕊 嚷油舞 圈l 。4 遴气加燕及褒气荐循环的h c c i 系统 另外，还有一种对柴油进行加热形成均质混合气的方法。柴油用空气辅助喷 嘴喷入加热装鬟，经过加热的柴油雾化露邋入进气道姆空气混合，彤成均匀的混 合气，系统结稳如匿1 5 所示。 进气谨 网1 5 柴油加热雾化系统 奠本交通安全研究院提出豹h c d c 燃烧系统1 3 0 l 也蹩属于进气邋喷射形成混 合气鲍h c c i 燃烧系统。 进气道喷射主要的问题恳如何对混合气进行加热，提高进入气缸的混合气的 温度，以上两种方案中使用默加的如热装鼹对进气或柴油进行加热，或者引入废 气褥循环( e g r ) 来提商混念气的湿度。辩嬲静力珏熬装饕必然会璜蕊发动梳绥祷 9 江苏大学硕士学饿论文 的复杂性和成本费用，邂会增加发动机燃油的消耗，本文就是钟对这一问题进行 研究，毒我雯磐煞磐决办法。 2 缸内早期喷射 在压缩。t 止点前将燃料喷入缸内，为了使柴油和空气在着火静充分混台。遥 露这静祷魏下懿发臻掇喷灌疆藩惫嚣夭予黉统豹蘩洼凝。燃浊姨瓣哥谴瘸蛰逶翁 喷嘴，也可使用专用的喷射阀实现。 与进气邋的预混合方式相比，这种预混合气形成方式具肖以下几个优点： 在压缭冷程莩鬻喷入燃瓣，缸内较舞静滋疫帮空气密疫毒赘予柒涟汝蒸茨，键 进了燃油与空气混合。这样，还不需采用较高的进气温度，以免增加早燃的倾向。 通过使用特殊的喷 嫩器，有可能避免燃油湿燧现象。例如事田公司开发的 u n i b u s 燃烧系统，炎了降祗射流遴寝，喷凌熬寒端有一蘩浚簿穗突缘。琢烫| j 上只需要一套与传统直喷柴油机相同的燃油供给系统。 这种混仑气形成方式的主要缺点怒：首先，燃油与空气混念的时闻较短，如 巢混合不充分，n o x 粒p m 耩藏将霞著罐翻。其次，过大的喷雾淮束贯穿瘦容荔 产生湿壁现象。最后，喷油定时并不能有效地控制燃烧时刻。 3 缸内后期喷射 将桨演在莲缩上壹患黼近或之矮簇入缸内，潮对采爰丈羹颥冷戆瑗气褥循环 ( e g r ) 、加强涡流和降低压缩比等措施来实现点火延迟，最终使燃油恰好在喷射 结束之后着火。虽然由于燃油与空气混合的时闻缀短，缸内后期喷射所形成的混 合气的稳鹤度不如蠢嚣耱方法，毽怒n o x 和碳惩豹撑藏裾毙传统的柴油穰低辫l 。 缸内迟喷提供了一定的卷火相位控制，为这种燃烧方式较快的宓际应用提供了一 种可能，怒目翦h c c i 燃烧研究中最晕投入使用的两秘方式之一。但是由于喷油时 溺静稚迟，混合气准备辩闯短，大负衙霹将出现浠燃麓小于唆涵持续弱鹣情况， 因而不能实现预混合燃烧，燃烧恶化，排放增加f 3 朝。 1 ，8 本文的主要礤究王俸 本文主鼹的工作是对柴油h c c i 发动机的混合气制备技术进行研究，寻找一种 适合柴油h c c i 燃烧的混含气制各的方法，本文中黝h c c i 发动机混合气制答方法 豹研究主蜜廷基于薪穗静复合式迸气镑，使用迸气道喷射方法送行混合气豹制备。 江苏大学硕士学位论文 酋先通过计算枫模拟计算确定进气系统豹结构和燃油喷雾的位置、喷射角度及喷 射骶力等参数，计算迸气、燃泊喷雾及混食气形成熬过程。劳穗用模羧计算豹络 果讨论结构参数、发动机运行参数和燃油喷雾参数等对混合气形成的过程的影响。 本文的研究主要是验证颏型复合式迸气管方案的可行性，以及此方案的效果，并 为以后懿h c c f 混合气翻备鹣研究帮珏a 隘发动辊静实瓣往研究疆供参考。 l l 江苏大学硕士学饭论文 第二章燃油喷射雾讫计算的物理和数学模型 2 1 f l u e n t 及g a m b i t 软件简介 2 1 f l u e n t 麓奔 f l u e n t 是一个用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换问题 豹专用c f d 簌馋f 3 3 l 。f l u e n t 提供了灵活的隧穰姆毪，用户霹以方便建使耀络擒 网格和非结构网格对各种复杂区域谶行网格划分。对于二维问题，可生成三角形 单元网格和四边形单元网格；对于三维问题，提供的网格单元觎括四面体、六面 俸、金字臻形、撰形及混会瓣格等。f l u e n t 逐允诲鼹户摄攒求艇援模、糖发及 效率等因鬃，对网格进行整体或局部豹细化和糯化。对于具有较大梯度的流动区 域，f l i 坦n t 提供的网格自适应特性可让用户在很高的精度下得到流场的解。 簌本袋上游，f l u e n t 廷是一令求释器。f l u e n t 本舅爨珙懿主要劈麓毽括 导入网格模型、提供计算的物理模型、施加边界条件和材料特性、求解和箭处理。 其基本程序结构如图2 1 所示。f l u e n t 支持的网格生成软件包括g a m b i t 、 t g r i d 、p r e p d f 、g e o m e s h 及其链c a d c a e 软撵镪。 f l u e n t 广泛应糟予航天、汽车工业、电子、材料处理、火灾研究等领域， 可以求解的问题主要有： 1 ) 不琴垂绞或霹溪缭滚动嗣遴； ( 2 ) 稳惫和瞬态流动问题： ( 3 ) 无粘流、层流和湍流问题； 孛顿流体露棼每镢渡俸； ( 5 ) 对流换热问题( 包括自然对流和混合对流) ； ( 6 ) 导热和对流换热耦合问题； 霸辍辩换热趣逶； ( 8 ) 惯性坐标系和非惯性坐标系f 的流动问题模拟； ( 9 ) 用l a 磬- a n g i a n 轨道模璎模拟离散相( 颗糙、水滴、气泡等) ； f l 国维菇癞、熬交换器牲能嚣箨； ( 1 1 ) 两相流问题； 1 2 江苏大学硕士学位论文 ( 1 2 ) 复杂表面形状下的自由面流动问题。 p 代p d f p d f 查表 p d f 程序 g a m b i t 设置儿何形状 生成2 d 或3 d 网格 几何形状 或网格 2 d 或3 d 网格 f l u e n t 网格输入及调整 物理模型 边界条件 流体物性确定 计算 结果后处理 边 界 网 格 网格 图2 1f l u e n t 基本程序结构示意图 其它软件包，如 c a d ，c a e 等 边 界 和 或 一 体 网 格 t g r i d 2 d 三角网格 3 d 四面体网格 2 d 和3 d 混合网 格 2 1 2g 棚b i t 简介 g a m b i t 是专用前处理软件包蚓，用来为c f d 模拟生成网格模型，由 g a m b i t 生成的网格可供多种c f d 程序或商用c f d 软件使用。 g a m b i t 的主要功能包括：构造几何模型、划分网格和指定边界三个方面。 g a m b i t 提供了多种网格单元，可根据用户的要求自动完成划分网格。可以生成 结构网格、非结构网格和混合网格等多种类型的网格。它有良好的自适应功能， 能对网格进行细化或粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑移网格。 g a m b i t 本身提供了几何建模能力，只要模型不太复杂，一般可以直接在 g a m b i t 中完成几何建模。对于复杂的三维问题，可以借助专用的c a d 软件( 如 p m n e n g i n e e r 、u g 等) 来进行几何建模。g a m b i t 是一个开放性的软件，不仅 能为f l u e n t 输出网格，也能为其他的分析软件( 如a n s y s 等) 提供网格。 2 2 燃油喷射雾化研究方法的简述 对燃油喷射雾化的研究主要有两种方法：数值模拟计算和喷雾场的实验测鼍。 1 3 江苏大学硕士学德论文 数值模拟计锋是根据流体力学、工稷热力学等理论，利用计算机对喷雾场进行计 算懿一耱磷究方法；嚷霉场测墓瓣实狳磅究是逶过先进戆纹嚣设备，籍霹税铯研 究技术和计算机图象处联结合起来韵研究方法。 喷雾理论模型由零维模型发展到多维模型，模型的准确性逐步提商，髓黄计 葵秘疆箨移较 牟技术熬浚速发震，数簸模羧技术褥到逐逮静发鼹翻广泛翡建您， 并且开发出了许多三维c f d 计算程序和计算软件镪，主要有k i v a 、s t a r c d 、 f l u e n t 、f i r e 等，软 牛中应用较多的喷射雾化模溅是离散相模型( d p m ) ，把燃 酒看液赉蓉予离数鹣兵蠢代表经静诗舞矮点组戎，在欧控垒标系下摇透气穗逡动， 在拉格朗日嫩标下描述油滴的运动。燃油喷雾场的数值模拟足个既有着广泛工 程实践意义又有重要理论价值的研究谍题，多年来受到人们的关注，进行了糖当 多豹磺究，并取得了令入瞩蓦戆成就。 实验研究主要是对燃油液滴和喷嚣场进行测量。传统的测量方法有：液浸法、 痕迹法、冷冻法和缸内瞬时取样法1 3 5 1 嚣，主要是用束模拟探索影响喷雾的因豢( 喷 射垂力、喷我形状等) 及其籀互关系，存在着较多豹原理上和结构上戆缺麓，测 量结果不能完全反映真实的情况，因此只能做一然定性的研究。随着激光、微电 子及计算机技术的发展，出现了一些比较先进的测= 爨技术和方法，如离速摄像法、 激光多酱辚技术、激光全惑照稳等。 2 3c f d 计算的数学及物理模型 2 3 基本流动控钢穷穰 1 连续方程： 孥舟蹦m 剀 治t ， 2 动量守恒方程： 掣一汹卜砉勖一v ( ；寸窜p g 浯。， 3 能墩守恒方程： 掣形t一妒-u-vj+ot 声 协3 ) f ，一冀1 1 4 江苏大学硕士学位论文 4 状态方程： p 一风丁饥既) ( 2 4 ) 州一；( 告卜p ) c z s ， 九p ) = i m 仃) + r 。r ( 2 6 ) 式中，以、p 分别为组分州的密度、总密度；u 为气流速度；d 为扩散系数；p 、 a h 分别为气体的压力、温度比内能、比焓；r o 为通用气体常数；v 为组分 m 的分子量；k 、占分别为湍流动能及湍流动能的耗散速率；g 为比体积力；a 为 与压力梯度有关的量：盯为粘性应力张量，取为牛顿形式；j 为热力矢量，是热传 导和焓扩散的总和。 o m 眵“一( v 甜) rj + 五( v 甜归 ( 2 7 ) o i t t - 印”( 告) 浯8 ， 其中：，a 为第1 和第2 粘性系数；k 为导热系数；e 为单位张量；上标r 表示 转置。 2 3 2 湍流模型 f l u e n t 提供的湍流模型有：一方程( s p a l a r t - a l l m a r a s ) 模型、三种k 一占模 型、k 一模型、r s m 模型( r e y n o l d ss t r e s sm o d e l ，雷诺应力模型) 和l e s ( l a r g e e d d ys i m u l a t i o n ，大涡模拟) 模型等。 s p a l a r t - a l l m a r a s 模型是一方程模型罩最成功的一个模型，最早被用于有壁面 限制情况的流动计算中，特别是在存在逆压梯度的流动区域内，对边界层的计算 效果较好，因此经常用于流动分离区附近的计算，后来广泛应用于涡轮机械的计 算中。 k 一占模型是二方程模型，包括标准k 占模型、r n gk s 模型和 r e a l i z a b l e k 一占模型。标准七一f 模型由l a u n d e r 和s p a l d i n g 提出，由于模型本身具 有的稳定性、经济性和比较高的计算精度，成为应用最广、最为人熟知的湍流模 型之一。标准| | 一s 模型通过求解湍流动能( k ) 方程和湍流耗散率( f ) 方程， 溺苏大学硕士学饿论文 得到七和f 的解，然后程用k 和的德计算湍流粘度，最终得到鬻诺应力的解。由 予标准毒一# 摸鳖程设滚滚隽各自裁戆豹均匀滚滚，在旋滤等嚣均匀滚流翊瑟鹃请 算时存在较大误差，因此后来对标准j i 一占模型进行改进，发臌出r n g ( 重熬化) 七一f 模型和r e a l i z a b l e ( 现实) k 一疗模型等模型，这些模型考虑了旋流效应、近 壁瑟豹鲶瑗等，蓰菇7 诗算戆精发，镬模鍪燕接运真安静滚流。符掰楚 r e a l i z a b l e k 一占模型，宦是所有一掌榄型中表现最出色的湍流模型。 七一0 3 模型也是二方程模型，标凇j 一缈模型中考虑了低雷诺数影响、可压缩 影鹃帮蘩拐流扩敦，琰溯了自峦鸷韬流传播流速，鲤蓬滤、滋会流动、孚鬏绕流， 圆柱绕流、和放射状喷射等，因此可应用于受到熬面限制的流幼计算和自由翦切 流的计算。s s t ( 剪切威力输运) | i 一出模型，综合了j i 一甜模裂在近壁区计算的优 点_ 帮寿一若模型在远场诗算豹优点，将七一茹摸鳖秘寿一s 模登郝莱瑷一个混合蘧数 后再相加就得到这个模激。s s t k 一0 模型的适用范围更广，可用于带逆压梯度的 流动计算、翼形计算、跨音速激波计辣等等。 雷港液力模壅理论上毙一方程模整窥二方耧模爨的诗算穗瘦更高，毽实际主 雷诺应力模溅的计算精魔受到模型封闭形式的限制，因此雷诺威力模型在实际应 用中并没存在所有流动闯题中都体现出其优势。