汽油压燃（GCI）燃烧过程和碳烟排放数值模拟研究

发布时间：2020-04-10 14:31

【摘要】：汽油压燃(Gasoline Compression Ignition,GCI)低温燃烧具有实现内燃机高热效率和低排放的潜力,是当前内燃机研究的热点。但GCI燃烧模式也存在小负荷燃烧稳定性差、大负荷碳烟排放高及燃烧反应速率快带来的压力升高率和爆发压力高等问题,需要在探明其燃烧机理的基础上寻求解决途径。本文利用数值模拟手段针对GCI燃烧模式开展燃烧过程及碳烟排放的数值模拟研究,以期揭示GCI燃烧和碳烟排放生成机理,为探索改善GCI燃烧及碳烟排放的控制策略提供理论参考。本文基于Converge软件建立GCI燃烧过程的CFD仿真模型,系统开展GCI燃烧过程和碳烟生成演化历程的多维数值模拟研究。首先在定容燃烧弹装置上对比了三种多步现象学碳烟模型在喷雾燃烧过程中的碳烟预测性能,并结合实际发动机对GCI燃烧和碳烟生成过程进行试验验证。针对光学发动机开展的GCI燃烧模拟研究表明,通过喷射策略控制实现合理的混合气浓度分层可同时获得较好燃烧性能和较高的IMEP;晚喷条件下形成的高混合气浓度分层有利于促进自燃着火和抑制压力升高率,但碳烟排放高;早喷条件下形成的低混合气浓度分层虽然有利于提高燃烧等容度和降低碳烟排放,但燃烧反应速度过快,导致较高的压力升高率;随喷射时刻的推迟,缸内着火和燃烧进程呈现从类似HCCI的均质燃烧逐渐向部分预混扩散燃烧转变的特征。在上述工作基础上,本文基于一台重型柴油机改造的单缸GCI发动机建立了CFD计算模型,在大负荷工况下系统研究了不同汽油替代物、碳烟模型和喷油策略等对GCI燃烧和排放特性的数值模拟研究。研究结果表明:三组分TRF汽油替代物模型耦合Gokul碳烟排放模型的模拟结果与试验数据吻合较好;与单次喷射策略相比,大负荷工况下采用两次喷射策略在拓展发动机稳定运行范围和降低碳烟排放方面具有明显优势:预喷可使燃烧相位提前,有利于提高IMEP和热效率;两次喷射耦合EGR策略可在保持主喷燃油燃烧相位的同时延长预喷滞燃期,有效降低压升率,且碳烟排放随预喷比例和主预喷间隔的增加而降低。两次喷射结合一定比例EGR(低于30%),可使发动机在保持较高热效率的同时有效降低压升率和碳烟排放。
【图文】：

对外依存度,机动车保有量

能源危机和环境污染问题日益严峻的形势下，开展内燃机制技术的研究尤为重要。机广泛使用给社会带来了飞速发展，为人类的生活提供了极源和环境带来了日益凸显的负面影响。近年来，我国汽车和保有量迅速增加。据中华人民共和国环境保护部编写的年报（2017）》[1]显示，我国机动车保有量达到 2.95 亿辆机为动力源。随着我国机动车保有量的逐年增加，对石油扩大，消费持续增长。我国国内成品油消费量逐年增加， 6.2%，2015 年已达到 3.38 亿吨。我国已成为世界第一大油消费国。另一方面，虽然我国石油储藏量巨大，但是限油气资源品质等原因，具有现实可开发价值的资源比例不高的大量消耗，可开采的石油也逐渐减少。据国土资源部公已探明的石油可采储量为 35 亿吨，石油资源面临日益短缺国石油对外依存度也在不断上升，如图 1-1 所示。

燃烧方式

I 燃烧方式的提出高效清洁燃烧技术一直是内燃机技术发展的目标。气道喷射汽油机气和火花塞点燃的方式，在燃烧过程中碳烟生成极低，但是缸内的大量 NOx 产生，同时火焰无法传播到活塞环等狭隙区域以及壁面使排气中含有较高比例的 HC 和 CO 等不完全燃烧产物。柴油机具比，，并且采用缸内直喷的方式减少了节气损失等因素，相对于汽油热效率。然而传统柴油机的扩散燃烧所带来的碳烟与氮氧化物折中燃烧方式存在排放控制难题。研究表明，燃烧过程中混合气浓度及放具有决定性作用，如图 1-2 所示。为了打破传统燃烧方式的限制应路径，人们提出了低温燃烧（Low Temperature Combustion，LTC内燃机低温燃烧方式能够明显减少 NOx 和 PM 排放的同时，降低典型的 LTC 燃烧方式有均质压燃（Homogeneous charge compHCCI）[11]，预混充量压燃(Premixed Charge Compression Igni4]，部分预混压燃（Partly Premixed Compression Ignition，PPCI）可控压燃(Reactivity Controlled Compression Ignition，RCCI)[18-20]等
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U464;X734.2

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