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通过改变燃料活性控制柴油机燃烧过程的研究 摘要 柴油机以其良好的经济性和动力性得到广泛应用，但由于其依靠高温 扩散燃烧工作，喷雾与空气的混合时间短，混合气很不均匀，会存在局部 高温区和局部过浓区，使得形成较多的氮氧化物及碳烟排放，并且这两者 之问存在此消彼长的关系。本文利用柴油和汽油两种燃料来改变燃料活性 控制柴油机预混压燃，实现低温燃烧来降低排放。 主要进行了以下几个方面的研究工作： 基于c f d 软件研究汽油作为易挥发燃料添加在柴油机中对柴油机性 能、排放的影响。汽油具有高挥发性，蒸发快速。传统柴油机气缸中只有 空气，预先喷入少量的汽油后，汽油在压缩过程中是完全蒸发为气态的。 在上止点前，柴油喷入汽油与空气的混合物中，在汽油氛围内进行燃烧。 柴油局部会开始燃烧，在柴油喷雾周围的汽油开始瞬时燃烧，这种瞬时的 燃烧会形成附加的气流运动，这个附加的气体运动会使此时缸内汽油燃烧 的产物、柴油和空气混合的更好，使燃烧过程更加完善。因此可以减少 s o o t 排放，同时又保证了功率的输出。同时可以加入e g r 降低缸内温度， 控制n o x 的生成。 本文研究了利用汽油柴油这两种不同可燃性的燃料来控制的双燃料 p c c i 燃烧策略。具有较高辛烷值的汽油由进气道进入气缸，高十六烷值 的柴油用直喷的方式进入气缸。用柴油引燃汽油。通过改变燃料比来控制 点火时问。这样的好处是，由于可燃性的分层，避免了燃料同时瞬时燃烧， 这样即使不用e g r ，燃烧过程也会很柔和。 另外，也可以通过混合具有不同燃料特性的两种燃料获得新的混合燃 料的手段来控制p c c i 的燃烧过程。本文第五章把具有良好挥发性、高辛 烷值的汽油与雾化性能较差、高十六烷值的柴油混合在一起，一起喷入气 缸中，通过混合不同质量比例的汽油和柴油，得到不同辛烷值的混合燃料， 研究了不同辛烷值燃料燃烧过程的燃烧特性和排放。 关键词：内燃机、双燃料、预混压燃、数值模拟 i v i n v e s t i g a t i o no f t h ee f f e c to ff u e lr e a c t i v i t yo n c o m b u s t i o np r o c e s si nad i e s e le n g i n e a b s t r a c t d i e s e le n g i n e sa r ew i d e l ya p p l i c a b l ed u et ot h ep o w e ra n de c o n o m i c p e r f o r m a n c e d i e s e le n g i n ec o m b u s t i o ni sm a i n l yh i 2 h t e m p e r a t u r ed i f m s i o n c o m b u s t i o n ，a n dt h em i x t u r ei nt h ec y l i n d e rw a sn o th o m o g e n e o u sd u et ot h e i n a d e q u a t et i m ef o rf u e lm i x i n g l o c a lf u e lr i c hr e g i o n sa n dh i g ht e m p e r a t u r e z o n er e s u l ti nh i g hn 0 xa n dp a r t i c u l a t em a t t e r ( p m ) e m i s s i o n s r e g u l a t i o n s a g a i n s th a r m f u le x h a u s te m i s s i o n ss u c ha sn 0 x ，p a r t i c u l a t em a t t e rf r o m e n g i n e sa r eb e i n gs t r e n g t h e n e d t om e e tt h ef u t u r er e q u i r e m e n t so fc l e a n ， e f f i c i e n td i e s e l e n g i n e s ，n e wc o m b u s t i o nc o n c e p t sa n dt e c h n o l o g i e sa r e n e c e s s a r vt or e a l i z es m o k e l e s sa n dl o wn 0 xe m i s s i o n s i nt h i sp a p e r ，t h ef b l l o w i n gr e s e a r c h e sw e r ed o n e ： t h ep r e s e n t s t u d yi n v e s t i g a t e st h e o r e t i c a l l yt h ee f f 色c t so fg a s 0 1 i n e f u m i g a t i o no ns i n g l e c y l i n d e rd i e s e le n g i n ep e r f o r m a n c ea n de m i s s i o n s t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tap r e m i x e dc h a r g ec a nb eo b t a i n e db ye a r l vi n i e c t i o no f g a s o l i n eb e c a u s eo ft h eh i g hv o l a t i l i t yo fg a s o l i n e m o r eh o m o g e n o u sm i x t u r e w a so b t a i n e da n dt h ef h e lb u r n e df a s t e ra n de f f i c i e n t t h es m o k ee m i s s i o nw a s r e d u c e da n de n g i n eo u t p u tw a si n c r e a s e d c o u p l i n gw i t he g r t e c h n i q u ec o u l d r e d u c et h en 0 xe m i s s i o n ss i m u l t a n e o u s l v t h e p o t e n t i a l o f c o n t r o l l i n gp r e m i x e dc o m p r e s s i o ni g n i t i o n( p c i ) c o m b u s t i o nb yt w of u e l sw i t hd i f f e r e n ti g n i t a b i l i t ya n dv o l a t i l i t yw a ss t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea d d i t i o no fg a s 0 1 i n et od i e s e lf u e l e dp c ie n g i n e c a nr e t a r dt h ei g n i t i o nt i m i n g ，l o w e rt h ei n c y l i n d e rt e m d e r a t u r e ，a n dr e d u c e t h ee x h a u s te m i s s i o n s c o m b u s t i o np r o c e e d sv e r ym i l d l vw i t h o u te g rb v e s t a b l i s h i n gas p a t i a ls t r a t i n c a t i o no fi g n i t a b i l i t vi nt h ec v l i n d e re v e n ，w h i c h p r e v e n t st h ew h 0 1 em i x t u r ef r o mi g n i t i n 2s i m u l t a n e o u s l v i na d d i t i o n ，w et a k et h en h e p t a n ea n dt h ei s o o c t a n ea sb a s i cf h e l sa n dg e t t h ed i f f e r e n to c t a n en u m b e rf u e l sb vm i x i n gt w of u e l sa c c o r d i n gt od i f 先r e n t r a t i o s t h eo c t a n en u m b e ro ft h ef u e lh a si m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h eh c c i c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n de m i s s i o n s k e y w o r d s ： i n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e ； d u a l f u e l ；p c c i ； n u m e r i c a l s i m u l a t i o n v 致谢 本文是在导师汪春梅副教授的悉心指导与关怀下完成的。论文选题、 方案构思、进度安排、实际论文撰写的整个过程都倾注着导师的大量心血， 在生活上，导师无微不至的关怀我、帮助我，使我深受感动。导师i 虻谨的 治学态度、勤勉的工作精神、宽厚待人的人格魅力给我树立了榜样，值得 我一生去学习。值此论文完成之际，谨对恩师的教诲和栽培致以深深的敬 意和衷心的感谢。 同时，在本人本科和研究生学习期间，左承基、程晓章、钱叶剑、孙 军、滕勤、刘一鸣、路苏君、谈健、徐天玉、王虎等老师在学习和生活上 都给了我很多的关心和帮助，在此向他们表示诚挚的谢意并致以我的敬 意。 感谢师兄王立杰、马勇、常耀红在学习和生活中对我的帮助和照顾。 感谢孙飞、李亮、罗军、刘井生、李悦、朱黄龙、花志远、陈永全等 同窗好友在学习和生活上对我的帮助。同时对师妹朱素伟、王回春，师弟 陈志方等表示感谢! 衷心感谢所有帮助过我的老师、同学和朋友们，我将永远怀念和你们 一起走过的快乐时光，这段记忆永远值得珍藏! 最后，感谢远在家乡的父母与兄长对我的无私的支持和关怀，感谢所 有亲人对我的支持和鼓励，感谢所有关心和帮助过我的每一个人。 v i 作者：欧力郡 2 0 1 2 0 3 插图清单 图2 一lf l u e n t 的基本控制体形状1 0 图2 2 用g a m b “划分活塞在下止点时的网格图：1 1 图2 3 开启动网格对话框1 2 图2 4d v n a m i cm e s hz o n e s 对话框1 3 图2 5 活塞在上止点时的几何形状和计算网格图1 4 图2 6 计算始点时的几何形状和计算网格图1 4 图2 7 设置燃油喷射参数对话框18 图3 卜止点前1 2 0 时两种方案的速度矢量图2 5 图3 2 上止点后3 。时两种方案的速度矢量图2 5 图3 3 上止点前18 0 的温度场分布图2 5 图3 4 上止点时的缸内温度场分布图2 6 图3 5 上止点后6 0 时的缸内温度场分布图2 6 图3 6 四种方案的刀一矿示功图2 7 图3 7 预喷汽油及e g r 率对n o x 排放的影响2 8 图3 8 预喷汽油及e g r 率对s o o t 排放的影响2 8 图4 1 上止点前9 。时两种柴油喷射方式的流场分布图3 1 图4 2 上止点前九度即将开始燃烧时的温度分斫i 的百分比3 2 图4 3 不同的柴油喷油提前角时的放热率曲线3 2 图4 4 不同的柴油喷油提前角时的n o x 排放曲线3 3 图4 5 不同的柴油喷油提前角时的s o o t 排放曲线3 3 图4 6 不同的柴油与汽油比例下的缸内压力曲线3 3 图4 7 上止点前9 0 时的缸内温度分稚图3 4 图4 8 上止点时的缸内温度分布图3 4 图4 9 上止点后9 0 时的缸内温度分布图3 4 图4 1 0 不同汽油比例下的n o x 排放曲线3 5 图4 1 1 不同汽油比例下的s o o t 排放曲线一3 5 图5 。1g o ，g 2 5 ，g 5 0 三种燃料气缸压力曲线3 8 图5 2 上止点前6 0 时的缸内湍流动能分布图3 8 图5 。3 上止点后6 。时的缸内湍流动能分布图3 9 图5 4g 0 ，g 2 5 ，g 5 0 三种燃料在上止点时的缸内温度场3 9 图5 5g 0 ，g 2 5 ，g 5 0 三种燃料在上止点后6 0 时的缸内温度场3 9 图5 6g 2 5 ，g 5 0 两种燃料燃烧n o x 排放对比4 0 图5 7g 2 5 ，g 5 0 两种燃料s o o t 排放曲线4 0 l x 第一章绪论 1 1 引言 自从十八世纪内燃机被发明以来，它就丌始被广泛应用于现代生活的 方方面面。它具有高的能量转换效率和广阔的功率范围。从交通业、工业 到农业，处处都有它的身影：内燃机是运输车辆、农用机械和工程机械主 要采用的动力装置。可以说，内燃机为人类生活、社会经济的发展做出的 贡献是不可磨灭的。但也正是由于内燃机这么广泛的应用，它所造成的全 球环境问题越米越不可忽视。随着经济发展和世界各国汽车保有量的增 加，汽车已经成为世界上最大的大气污染源。对人类的健康和生态环境的 影响很大。同时，内燃机所使用的石油燃料是化石燃料，属于不可再生的 能源，而地球上的石油资源是有限的，分布又非常不均匀。能源对每个国 家来说都是非常宝贵的。有效改善汽车的燃油绎济性，降低汽车燃油消耗 已成为汽车制造工业和相关产业迫切需要解决的技术难题。 汽车内燃机燃烧后的排气中包含的成分基本上可以分为两大类：一类 是燃料完全燃烧的产物，主要由氮气、二氧化碳、水蒸气等构成。从毒物 学角度上来讲，这类燃烧产物对人体健康是无害的，对各种动物也是无毒 的。但是过量的二氧化碳会造成温室效应，造成全球变暖等问题；另一类 燃烧产物则是燃料燃烧过程中的不完全燃烧的产物以及一些有毒有害的 氧化物，主要有氮氧化物、碳烟微粒、一氧化碳、未燃碳氢化合物、二氧 化硫等。这些排放物是具有毒性的，其中一些还具有很强烈的刺激性，会 对人体健康及生态环境造成负面影响。它们对大气环境造成的危害主要表 现在：如果碳氢化合物与氮氧化物在一定条件( 如夏日f 1 光直射造成的高 温) 下发生光化学反应，会产生具有强烈氧化性的光化学烟雾。光化学烟 雾的危害非常大，它的强氧化性会严重影响动植物的健康，还会造成各种 设备的老化；而排放物中的二氧化硫会形成酸雨。对人体健康的危害主要 表现在：碳氢化合物中存在有对人身体具有刺激作用的烷烃、烯烃，危害 人的神经系统并且可能会致癌的多环芳香烃等。而一氧化碳的危害在于， 由于其与血红素的结合能力要比氧与血红素的结合能力大上百倍，会大大 降低血液携带氧的能力，会造成人的缺氧，甚至窒息而死亡。碳烟微粒会 随着呼吸进入肺部以及支气管，碳烟微粒越小对人体健康的危害越大。 从节约能源和保护环境的角度出发，世界上很多国家都提出了越来越 严格的排放标准并鼓励企业、研究人员开发具有更高效率的发动机。而对 内燃机来说，人们对它性能的要求越来越：苛刻，需要它具有良好的动力性、 经济性和低排放。柴油机以其良好的经济性和动力性得到了广泛应用，排 气中的一氧化碳和碳氢化合物比汽油机少得多。而且柴油机具有油耗低、 经济性好的优点。但山于其依靠高温扩散燃烧工作，喷雾与空气的混合时 问短，混合气很不均匀，混合气边混合边燃烧，会存在局部高温区和局部 过浓区，使得形成较多的氮氧化物及碳烟排放，并且这两者之f n j 存在此消 彼长的关系。 1 2 柴油机的有害排放 近年来，出于对环境的保护，各个国家对汽车的尾气排放控制越来越 严格，并且随着使用柴油机的车辆所占份额不断增加，对于柴油机有害污 染物的生成机理和控制技术的研究也受到广泛重视。在柴油机燃烧排放的 尾气中，一氧化碳和碳氢化合物要比汽油机少很多，氮氧化物的排放量与 汽油机相近，但是排气中碳烟微粒较汽油机较多，因此推动我们对微粒物 质的危害性也有了进一步的认识和研究。 1 2 1 柴油机氮氧化物排放 n 0 x 是氮氧化物的总称，内燃机排放尾气中n o x 的主要成分是n o 和少量的n 0 2 。其中n o 约占总氮氧化物排放的9 0 至9 5 ，因此在研究 中，n 0 是主要研究的对象。n o 是在燃烧室内燃烧过程中的高温条件下! l ! 成的，是氮原子和氧原子在进行了许多基本反应之后而形成的。 影响n o 生成的因素主要有以下三点：( 1 ) 温度：在高温条件下，n 0 的平衡浓度要比低温条件下时的平衡浓度高，且生成速度也会变快；( 2 ) 氧的浓度：足够的氧的浓度对于n 0 生成过程来说是必要是，如果没有足 够的氧气，即使温度条件满足了高温，也会抑制n 0 的形成；( 3 ) 在高温 下的滞留时间：燃烧过程中气缸内的压力及温度的变化是很快的，而n o 的生成和分解反应相对来说比较缓慢，在高温下滞留时间越久，n 0 的实 际浓度越高，如果滞留时问短，即使在高温下，n o 的形成也会受到抑制。 在上述三种影响因素中，当当量比小于1 即在稀混合气的情况卜，主要是 温度这一因素对n o 的生成起支配作用，在当量比大于1 的情况下，则主 要是氧的浓度对n o 的生成起决定作用。 1 2 2 柴油机微粒和碳烟排放 柴油机的微粒是指，在取样状态下，排气中除水分以外所有分散( 固、 液态) 物质的总称。微粒包括排气中一切有边界的物质，不管其性质、大 小、形状和组成。柴油机的微粒主要包括固态或液态的碳基颗粒，其中液 态碳基颗粒少部分独立存在，大部分吸附在固态的碳基颗粒上。另外柴油 机微粒还包括附聚在碳基颗粒表面的无机物，如二氧化硫、硫酸盐等。 柴油机有三种颜色的微粒排放，分别是白色、蓝色和黑色。白色和蓝 色微粒都是液态的，以液珠的形式存在。只是在光的折射作用下由于它们 直径的不同而呈现出不同的颜色。直径大于1 m 的液珠呈现出白色，直径 2 小于o 4 u m 的液珠一般呈现为蓝色。黑色的微粒排放即是我们所说的碳烟 排放，它是以碳为主要成分的固体微小颗粒，是在燃烧过程中的高压下， 局部高温缺氧，裂解并脱氢而形成的。 关于柴油机碳烟生成机理的研究有很多，但是目前还没有定论。一般 认为碳烟也是不完全燃烧产物，且主要是产生在扩散火焰中。b r o m e 和 k h a n 通过研究，对碳烟的形成过程进行了定性描述。在高温过浓区中，烃 燃料进行了深度裂解和脱氢，生成的相对来说分子量较小的物质在燃烧后 期发生聚合反应面形成碳烟。而在非火焰区例如燃烧室壁处，则聚合而产 生较大分子量的物质。这两个途径最终产生碳烟颗粒。在柴油机的燃烧过 程中，碳烟微粒排放的形成可以分为三个阶段，分别是：成核阶段，单粒 阶段以及单粒的燃烧消失或附聚成更大絮团的阶段。 影响柴油机排气中碳烟微粒形成的影响因素主要有：( 1 ) 燃油：燃油 品质的好坏对碳烟微粒的生成有一定影响，蒸发性差的燃料其雾化性能较 差，会导致排气中碳烟微粒的排放增加。而着火性好的易燃燃料的着火滞 燃期短，混合气的准备不充分，着火后喷入气缸的燃料增多，也容易产生 碳烟。因此十六烷值过高的燃料碳烟微粒排放较高。( 2 ) 过量空气系数： 柴油机燃烧室内各区的空燃比是影响燃油裂解和氧化的主要因素。在高温 条件下，缺氧则烃裂解脱氢形成碳烟，得氧则碳粒可以被氧化消失。在功 率一定时，改进柴油机的进气系统，提高充气效率，增加进气量都会降低 排气烟度。( 3 ) 混合气形成与燃烧速度：碳粒的燃烧需要一定的氧化环境， 由于柴油机气缸内总的空燃比总是超过化学当量比的，因此混合物形成的 速度，和能否向碳粒及时提供足够的氧，是碳粒能否氧化的关键。因此改 善混合气的形成既能减少碳粒生成，又能加速碳粒燃烧。( 4 ) 喷油时刻： 加大提前角会使得滞燃期延长，着火前喷入气缸的油量增加，预混合气增 多，使燃烧速度变快，使得主燃期形成的碳粒具有较高的温度并在高温下 停留较长的时问，有利于碳粒氧化消失。因此在直喷式柴油机中，当其他 参数不变，加大喷油提前角可以降低排气烟度，但如果喷油过早，会导致 发动机工作拳h 暴，机械负荷增加，n 0 x 排放增加。 影响柴油机燃烧过程的进展以及有害排放物的生成的因素很多，如喷 油定时，喷入燃料的雾化情况、气缸内的气体运动以及燃料性质和添加剂 等。为了突破传统柴油机排放和经济性极限，缓解来自能源和环保两方面 的压力，人们不断的探索内燃机高效清洁燃烧技术。 1 3 低温预混燃烧策略 低温预混燃烧策略是目前内燃机高效清洁燃烧技术中一种可以同时 降低氮氧化物及碳烟排放的很有潜力的燃烧策略。 1 3 1 低温预混燃烧简介 低温预混燃烧策略是目前研究的一个热点，研究表明，在低当量比的 情况下，当燃烧室内局域的燃烧温度大于2 2 0 0k 时，会形成大量的氮氧化 物。在当量比较高的情况下，为了减少高温过浓区，避开会大量生产碳烟 的主要温度范围，我们需要使得最高燃烧温度尽可能降低。低温燃烧的优 点就在于，当降低最高燃烧温度使得缸内燃烧温度不高于1 6 5 0k 的条件 下，不管是在低当量比还是高当量比的范围内，都可以使燃烧路径避丌有 利于氮氧化物和碳烟生成的燃烧条件。由于氮氧化物的生成反应需要较高 的活化能，因此较低的燃烧温度可减少氮氧化物的牛成，另外较长的滞燃 期使得混合气在开始燃烧前有更长的混合时间。因此，缸内局部过浓区减 少，碳烟的生成也得到了抑制。与传统的采用缸内直喷方式的柴油机相比， 采用低温燃烧策略的发动机一般是通过采用增进燃烧前缸内混合气的均 匀程度或者使用大量的废气再循环的方式来降低缸内温度。缸内混合气通 过与空气良好的混合或通过e g r 得到稀释，缸内的燃烧温度会得到降低， 同时由于缸内工质较为均质，使得过浓区减少，氮氧化合物以及碳烟排放 从而都会得到抑制。 综上所述，低温燃烧策略是可以同时降低碳烟和氮氧化物排放，低温 燃烧的实现方式有：m k 燃烧、u n i b u s 燃烧、均质压缩点火燃烧( h c c i ) 、 和预混压缩点火燃烧( p c c i ) 等。m k 燃烧是一一种使用大量e g r 、较高的 涡流比和较迟的喷油角的燃烧策略，大量的e g r 使得缸内温度得到降低。 u n i b u s 燃烧是通过提前喷油时刻、提高喷油压力、缩短喷油脉冲以及使 用e g r 来实现低温燃烧。本文主要围绕前两种燃烧策略进行研究，关于它 们的详细介绍见下节。 1 3 2 均质压缩点火燃烧和预混压缩点火燃烧 均质压缩点火燃烧( h c c i ) 和预混压缩点火燃烧( p c c i ) 技术是实 现低温燃烧的一种方式，极具潜力，是能够同时减少氮氧化物排放和碳烟 排放的技术。 h c c i 发动机燃烧方式为预混合均质压缩点火燃烧，是通过优化燃烧 过程来实现降低氮氧化物排放和碳烟微粒排放的新理论。其燃烧过程是， 在进气过程及压缩过程使得燃料与空气形成均匀的混合气，当活塞随着曲 轴转角变化运行到上止点附近时，压缩均质混合气使得其自燃而着火。 1 9 7 9 年，o n i s h i 最早提出了h c c i 这一燃烧策略。当时h c c i 还只是 在二冲程的发动机上进行了试验研究。在当时的试验中，o n i s h i 等研究人 员在二冲程发动机上在转速为10 0 0 4 0 0 0 r m i n 的范围内进行h c c i 的研究， 得出的结论是当发动机处于低负荷时，h c c i 这种燃烧方式具有良好的工 作稳定性，在经济性和排放性能上与传统燃烧方式相比也具有很大优势。 19 8 3 年，n a j t 和f o s t e r 通过计算压缩比、排气再循环与放热率之间的关系， 得出h c c i 不仅在二冲程发动机上町以应用，在四冲程发动机上也可以应 用的结论。19 8 9 年，t h r i n g 正式提出h c c i 这个名字来描述这种燃烧策略。 他在发动机处于大负荷工况时使用火花塞点火燃烧的方式，在发动机低负 荷时在合适的运行参数下使用h c c i 燃烧方式。第一次把传统燃烧方式跟 h c c i 燃烧方式在一台发动机上结合起来【1 3 l 。 h c c i 燃烧策略的提出是在改进发动机燃烧过程方面的重大进步，它 兼具压燃发动机和火花点火发动机的特点。如，h c c i 的进气方式是采用 类似于点火发动机的方式，使用空气与燃料混合很均匀的混合气。而点火 方式采用类似压燃发动机的点火方式，不用火花塞点火而是用压缩燃烧的 方式。由于它的这些特点，h c c i 发动机结合了火花塞点火发动机和直喷 压缩点火发动机的长处，同时又可以改进这两种燃烧方式的缺点，即h c c i 燃烧策略可以同时具有较高热效率、低排放的优点。 h c c i 发动机的特点主要有：( 1 ) 氮氧化物和碳烟微粒的排放很低，这 是因为h c c i 燃烧策略的特点决定了它燃烧时工质较为稀薄，不会存在氧气 不足的情况，减少过浓区域，可有效降低碳烟微粒的产生；同时，h c c i 发动机燃烧过程中，由于缸内工质的均匀性，在活塞压缩过程中，燃烧室 内工质会出现多点着火，与传统方式的发动机的单点着火相比火焰传播距 离得到减少，燃烧持续期变短，降低了缸内燃烧温度，因此可大大减少氮 氧化物的排放；( 2 ) 具有较高的燃烧热效率；( 3 ) h c c i 燃烧过程主要受燃 烧化学动力学控制；( 4 ) 采用h c c i 燃烧模式的发动机运行工况范围比较狭 窄。 在h c c i 燃烧策略中，均匀的混合气的制备是很重要的，均质混合气的 准备对于减少碳氢化合物和碳烟微粒排放以及获得较高的热效率是很关 键的，如果燃料雾化不好，燃油喷入气缸的过程中与燃烧室的壁面产生碰 撞，会使得排放中碳氢化合物增多。燃烧室中不均匀的工质也对碳烟微粒 和氮氧化物的排放有不利影响。而在制备均匀混合气的过程中，如何向缸 内引入燃油是很重要的，目前在h c c i 燃烧策略中主要采用的燃油引入方式 丰要有：( 1 ) 进气道喷射，燃油与窄气在进气道中得到混合，当进气门打 开以后一起进入燃烧室，用这种方法制备均匀的混合气比较常见，但是这 种方法的缺点是燃烧反应的开始时问无法利用喷油时问来控制。( 2 ) 缸内 提前喷射，这种方法是利用提前喷油角的方式来增加燃料与空气的混合时 问从而获得更加均匀的混合气。( 3 ) 缸内滞后喷射，这种方法是活塞运行 到上止点或者上止点后才将燃油喷入气缸，采用这种方式可以减少燃油与 燃烧室壁而的撞击。 2 0 0 6 年的s a e 学术年会上，h c c i 燃烧概念有所拓展，实现缸内工 质的完全均匀是不现实的，而即使发动机缸内工质在一定量的非均匀的部 分，只要采取一定手段使得缸内燃烧温度控制在较低的水平，仍可实现很 低的氮氧化物排放。预混充气压缩着火( p c c i ) 概念即是h c c i 概念的拓 展，h c c i 、p c c i 的核心思想可以归结为：可控的燃料与空气预先混合制 备成较为均匀的工质，进行低温燃烧。本文主要围绕p c c i 这一概念展开。 1 4 通过改变燃料特点来控制预混压缩点火燃烧 在p c c i 燃烧中，使用纯汽油或纯柴油燃料进行燃烧都存在一定的缺 点，因此燃料特点对p c c i 的燃烧过程的影响引起了全世界范围内研究人 员的广泛关注。燃料油品对于p c c i 燃烧来说，最重要最有影响的属性是 燃料的可燃性和挥发性。高挥发性的燃料雾化性能好，有助于在燃烧室内 形成均匀的混合气。可燃性好的燃料可以在低负荷工况下也能很好的燃 烧。 关于h c c i 和p c c i 的大部分研究是使用汽油或柴油燃料。然而，使 用纯汽油和纯柴油这两种燃料用于预混压缩点火燃烧时具有各自优缺点。 汽油燃料具有高的挥发性，蒸发的很快，因此可以通过进气道喷射，得到 均匀的预混工质。但是由于汽油的白燃性较差，因此在低负荷的工况下， 比较难以着火，燃烧速率慢，可能会发生发动机失火的现象，对排放也有 不利影响。但是汽油这种高辛烷值燃料抗爆震能力强，单阶段放热的特点 使得燃烧时缸内的平均温度高，更接近等容放热因此具有较高的热效率。 相反，柴油燃料具有较强的白燃性，即使缸内混合气比较稀薄仍然比较容 易压燃燃烧，但当负荷增加时，又会由于柴油燃料易燃的特点导致难以控 制燃烧过程的燃烧相位，容易出现过早着火以及燃烧持续期过短而发生爆 震的情况。此时就需要借助废气再循环来避免这种情况的发生，因此使用 纯柴油燃料时对废气再循环的依赖很高。另外柴油燃料的沸点高，挥发性 低，雾化性能差，喷入气缸后难以形成均匀的混合气。 大量的研究证明，只要能在着火前使燃料与空气得到充分混合，获得 较为均匀的混合气，不管燃料的辛烷值或十六烷值为多少，几乎目前常用 的任何燃料都可以进行h c c i 和p c c i 燃烧。比如汽油、柴油、天然气、 醇类、丙烷以及两种或多种燃料混合在1 起的混合燃料等。此外，还可以 把发动机的燃油系统设计成多燃料模式，同时使用两种或多种不同特性的 燃料，通过控制不同燃料的喷射量来控制低温预混压燃发动机的燃烧过 程。 柴油在易挥发燃料氛围内燃烧也是一种简便又具有吸引力的方法，这 种方法的优点有：1 它只需要对原有发动机做出很小的改动，即加上易挥 发燃料的喷i 1 i i 装置就可以了。2 易挥发燃料系统与柴油燃料系统是分离的， 这使得装备了易挥发燃料系统的柴油机具有机动性，仍然能够在使用单纯 的柴油燃料的环境下运行。发动机可以在双燃料和单一柴油燃料两种操作 方式中进行切换。3 易挥发燃料的瞬时燃烧所产生的附加的气体运动有助 于柴油与空气的混合，因此对燃油喷射系统没有特别高的要求。4 由于工 质的混合得到加强，改善了燃烧，可以选择更高的当量比，因此可以获得 更有效率的发动机。 另一方面，这种方法也有1 些缺点，比如需要另一套燃油供给系统， 当易挥发燃料所占比例过高时，容易发生爆震。有很多关于易挥发燃料氛 围的研究，尤其是用乙醇做易挥发燃料，有很多实验和理论方面的研究。 研究发现，预混乙醇可改善燃烧过程，降低排放，理论方面，有多种多区 的热力学模型得到应用并且能够得到与实验数据十分相似的结果。但是对 于使用汽油做易挥发燃料的研究还不多，汽油是一种化石燃料，但是在新 的可再生的代用燃料的研究发展过程中，更经济有效的利用化石燃料是很 重要的。 美国的s a g el k o k j o h n 等人研究了在柴油机中通过进气口喷射汽油 及柴油早喷来改变燃料活性，在高、低负荷下都可有效的控制燃烧相位及 压力升高率。土耳其的z s a h i n 等人研究了单缸直喷柴油机在汽油氛围下 工作使得有效功率输出增加，燃油消耗减少。日本的k a z u h i s ai n a g a k i 等 人研究了把汽油由进气道进入汽缸，用直接喷入汽缸的柴油来引燃，发现 这种预混压燃的点火时间可以很好的由这两种燃料的比例来控制，并且这 种方式形成了空间上可燃性的分层，因此可以避免缸内的燃料同时一下全 部燃烧，氮氧化物及碳烟的生成也得以减少。h i d e y u k i0 9 a w a 等人研究了 预混乙醇对预混柴油燃烧的影响，乙醇可以抑制柴油的低温氧化，在他的 研究中，当乙醇燃料的量为总燃料量的百分之二十时，配合一定量的e g r ， 可在较宽的负荷范围内实现无烟及低氮氧化物排放。虽然进气道喷射乙醇 后会有较高浓度的乙醛生成，但是通过排气系统中的氧化催化剂，即可在 极端负荷条件以外的工况下移除这些污染物。 国内也有很多这方面的研究，武汉理工大学做了汽油和柴油混合燃料 均质压燃的试验研究，结果表明，汽油和柴油混合燃料可获得更好的h c c i 或p c c i 燃烧的燃烧稳定性，并且废气排放( 特别是h c 和n o x ) 显示出 明显的改善。天津大学做了柴油在乙醇高温热氛围中着火和燃烧的特性研 究，发现乙醇混合气氛围对柴油的着火具有较强的抑制作用，延迟了着火， 增加了预混着火比例。由于乙醇含氧量高，自供氧能力强，因而，可以用 来改善柴油机扩散燃烧的排放特性，与柴油混合进行扩散燃烧可以大大增 加碳烟的氧化，并可在一定t 况下降低n 0 x 的排放。 7 1 5 论文的主要工作 为了降低氮氧化物及碳烟排放，本文主要研究了通过预混压燃这种燃 烧方式来实现低温燃烧，并通过改变燃料活性来控制柴油机的预混压燃过 程。具体工作如下： 1 基于c f d 软件研究汽油作为易挥发燃料添加在柴油机中对柴油机 性能、排放的影u 向。汽油具有i 葛挥发性，蒸发快速。传统柴油机气缸中只 有空气，预先喷入少量的汽油后，汽油在压缩过程中是完全蒸发为气态的。 在上止点前，柴油喷入汽油与空气的混合物中，在汽油氛围内进行燃烧。 柴油局部会丌始燃烧，在柴油喷雾周围的汽油开始瞬时燃烧，这种瞬时的 燃烧会形成附加的气流运动，这个附加的气体运动会使此时缸内汽油燃烧 的产物、柴油和空气混合的更好，使燃烧过程更加完善。因此可以减少 s o o t 排放，同时又保证了功率的输出。同时可以加入e g r 降低缸内温度， 控制n o x 的生成。 2 研究了利用汽油柴油这两种不同可燃性的燃料来控制的双燃料 p c c i 燃烧策略。具有较高辛烷值的汽油由进气道进入气缸，高十六烷值 的柴油用直喷的方式进入气缸。用柴油引燃汽油。通过改变燃料比来控制 点火时| 日j 。这样的好处是，由于可燃性的分层，避免了燃料同时瞬时燃烧， 这样即使不用e g r ，燃烧过程也会很柔和。 3 另外，研究了通过混合具有不同燃料特性的两种燃料获得新的混合 燃料的手段来控制p c c i 的燃烧过程。在第五章中，把具有良好挥发性、 高辛烷值的汽油与雾化性能较差、高十六烷值的柴油混合在一起，一起喷 入气缸中，通过混合不同质量比例的汽油和柴油，得到不同辛烷值的混合 燃料，研究了使用不同辛烷值燃料进行p c c t 燃烧的燃烧特性和排放情况。 第二章计算软件及计算模型 传统内燃机研究模式由于其高花费、长周期、狭窄的适用性并且耗费 大量的人力和物力，已经不能适应现代背景下科技快速发展的要求。随着 计算机技术的发展，尤其是计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a ln u i dd y n a m i c s ， c f d ) 的研究进展，计算机仿真技术作为一种先进的科学手段，可以在短时 问内进行广泛的变参数研究，减少了试验费用和试验时问，为内燃机设计 中缸内燃料的运动、燃烧这两个主要的研究方面提供了有力的手段。对内 燃机工作过程进行c f d 数值模拟是一个复杂的过程，可以帮助我们从理论 上来研究内燃机内部的燃烧以及进排气等工作过程，并进一步来指导工程 应用。应用这利，计算机仿真技术，可以大大减少实验的盲目性，在数值模 拟的基础上进行实验可以降低费用，节约时问，有效节省大人力、财力、 物力，从而使设计优化更方便、更有效，在预测柴油机性能、指导燃烧系 统设计等方面发挥了显著的作用。 内燃机燃烧模型有零维模型、准维模型以及多维模型等。最初人们通 常使用零维模型来进行模拟，随着模拟技术的发展，对于工程上的应用大 多采用准维模型米进行模拟。而模拟内燃机燃烧过程结果最为精确的是多 维模型。在多维模型中，为了能够得到详细准确的燃烧过程的模拟结果， 需要求解很多基本偏微分方程。如质量守恒方程，动量守恒方程，能量方 程等。可以计算出某一时刻下缸内的温度、缸内压力、缸内各种物质组分 的浓度、缸内气相速度等的空问分布。多维模型不仅能够表现发动机工作 过程的宏观特点，还可以在微观上对其工作机理进行解释。但多维模型也 有一些缺点，对偏微分方程的求解过程使得计算过程较为复杂，并且在现 阶段下，多维模犁下的一些子模型的建立还不够完善，具有猜测性，一些 常数是靠经验来设定的。柴油机多维燃烧模拟由二部分组成：应用单相流 体力学对缸内空气运动进行模拟，应用两相流体力学对缸内的喷雾混合过 程进行模拟；应用燃烧化学对缸内燃烧过程进行模拟引。 2 1 三维网格模型建立 2 1 1 软件介绍 f l u e n t 是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程 序。它提供了完全的网格灵活性，用户可以使用非结构网格甚至混合型非 结构网格来解决各种复杂的流动问题。例如二维网格有三角形网格、四边 形网格，三维网格有四面体网格、六面体网格、金字塔形网格以及棱柱 楔形网格。网格的选择依赖于具体的问题。f l u e n t 软件还允许用户在具 体的例子l 1 根拂：求解f l j 的解的实际情况冉划网格进行细化或洋f l 化的修改。 9 f l u e n t 的应用范围很广，可以对二维平面问题、二维轴对称问题以及三 维的流动问题进行分析，可以应用于对多种参考系下的流场问题的模拟计 算，还可以用它来进行定常与非定常分析、传热和热混合分析、化学组分 混合反应分析、多相流分析、固体与流体耦合传热分析等等。 二维网格：三角形四边形 三维网格：四面体人面体棱柱楔形金字塔形 图2 1f l u e n t 的基本控制体形状 从本质上讲，f l u e n t 只是一个c f d 求解器。f l u e n t 软件自身提 供给用户的主要功能有：导入用，- 划分好网格的几何模型、选择适合的物 理模型用来计算求解问题、指定模型的边界条件和问题中材料属性、求解 计算和对结果中数据或图形进行后处理。不论是用f l u e n t 来求解简单的 问题还是复杂的问题，只有先使用各种前处理软件如g a m b i t 等来建立几 何模型并划分好网格并导入到f l u e n t 中之后，爿能进行下一步的工作。 再针对所要求解的物理问题，制定比较详细的求解方案。f l u e n t 软件求 解过程是：首先利用g a m b i t 设置几何形状和网格，再对流场内的流体进 行物性参数的设置，利用f l u e n t 软件的模块建立所需的物理模型，针对 模型提供相应的边界条件和初始条件就可以计算了，最后参照计算结果对 模型进行不断优化，从而完善模型。 g a m b i t 是可以为f l u e n t 提供前处理的软件，用于创建几何体及网 格的生成。但g a m b i t 只适用于创建简f 丫1 的三维几何体，对于复杂形体 而言，其绘图功能是远远不够的，这时g a m b i t 允许我们引入一些其他 软件创建的文件。也就是说，f l u e n t 中建立计算模型网格的方式有两种， 一种方法是用f l u e n t 二号前处理网格划分软件g a m b i t 来进行几何造型 以及划分网格的工作，另一种方法是可以l _ = i 另外的c a d 软件如a u t o c a d 、 p r o e 、s o l i d w o r k s 、s o l i d e d 2 e 等来做几何造型，弭导入g a m b i t 或其他 与f l u e n t 兼容的网格划分软件中生成网格。 生成网格的步骤分为三步，第一步是建立所要研究对象的几何模型， 只有建立了几何模型才能够进行网格的划分和边界的指定。第二步是在几 何模型上对模型的面或体进行划分网格，不同部位要应用特定的网格类 型、网格单元和网格密度。第三步是指定边界区域，要为模型的每个区域 指定名称和类型，这样当后续要给定模型各个区域的物理属性、边界条件 和、以及初始条件时就比较方便了。 2 1 2 几何结构的模型以及网格生成 本文首先应用p r o e 软件建立燃烧室和气缸工作容积三维实体几何模 型，并且以幸s t p 格式输出。然后用g a m b i t 软件打丌s t p 文件，进行网格 的划分。形状比较规则的活塞行程部分，可以使用6 面体网格单元进行划 分，而其形状不规则的燃烧室部分，选用4 面体网格单元来进行划分。 在网格生成之后，在g a m b i t 中指定边界，指定边界的目的是为后续 进行c f d 模拟时输入边界条件。设置好边界条件后，将模型以幸m s h 格式 输出。 图2 2 川g a m b i t 划分活塞任卜l ：点时的网格图 在模拟发动机的燃烧过程时，由于活塞会随着曲轴转角的变化而上下 运行，缸内的体积也会随着曲柄转角的变化而变化，因此网格也要随之变 化才能够正确的模拟缸内燃烧过程。这就要用到f l u e n t 中的动网格技 术。动网格守恒方程如下： 丢工蒯y + 王y 删( 历一畋) 幽2 王y r v 厕+ d y ( 21 ) 式中：p 为密度，单位为k g m 3 ； “s 是网格的移动速度，单位为m s ； r 是扩散系数，单位为m 2 s ； s 为标量的源项； 将上式的第一项用一阶向后差分公式表示： 丢肛矿= 趔掣丝 他2 ， 其中加和川+ 1 分别表示第历个和第历+ 1 个时问步。 y 川：y m + 坐出 折 ( 2 3 ) 为符合动网格守恒，2 3 式中的控制体的体积对时间求导： 警=