柴油机均质压缩燃烧(HCCI)的实现与优化模拟研究

摘要

均质充量压缩燃烧（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI）可以极大地降低内燃机排放中的碳烟（PM）和氮氧化合物（NOx），被认为是解决当今内燃机节能与排放问题的极具潜力的燃烧方式之一，已成为国内外内燃机界的研究热点。区别于传统柴油机和汽油机燃烧过程，均质充量压缩燃烧方式的燃烧放热几乎全部发生在混合气瞬间自燃过程中，燃烧过程只受化学动力学控制，不同于传统燃烧过程的湍流火焰传播或油气混合过程控制的火焰传播，无明显的火焰前锋，其优点是气缸内最高燃烧温度较低而且均匀，PM和NOx生成量很少，具有很高的热效率。 目前柴油机HCCI燃烧仍未能得到推广，主要因为HCCI柴油机面临着均质混合气配制和着火、燃烧过程的控制两大难题。 针对柴油机HCCI燃烧实用化尚存在的问题，本文采用计算机模拟方法研究两种有助于柴油机均质充量压缩燃烧实现的技术：废气循环技术和新型喷油技术对HCCI柴油机燃烧的作用。建立HCCI柴油机燃烧模型，通过Labview软件编写关于柴油机HCCI燃烧放热率受EGR因素的影响的计算程序。描述在不同EGR率的情况下，放热率的变化。 在此研究基础上，通过Boost软件建立HCCI柴油机一维模型，研究和分析不同EGR率和压缩比对HCCI柴油机缸内压力、温度以及柴油机性能的影响。并对模拟数据进行优化处理，寻求一种可实现高质量HCCI燃烧的EGR率和压缩比配合。 基于当前先进喷油技术对燃烧控制的作用，在已有柴油机模型上，通过改变喷油脉冲和喷油速率，研究不同的喷油方式，对柴油机燃烧的影响，为HCCI燃烧起始点和燃烧持续期控制提供理论基础。 通过本文的模拟研究分析，将能更好的揭示实现HCCI燃烧的两种实现手段（EGR、电控喷油）的特点，进一步搞清柴油机均质充量压缩燃烧方式燃烧始点和燃烧过程的控制因素，了解其作用规律和作用程度，以此寻求实现有效地控制柴油机HCCI燃烧的方法，为HCCI燃烧的实用化提供了模拟数据和理论支持。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1选题背景与意义

1.2 HCCI燃烧的研究状况

1.3 HCCI燃烧的实用化问题

1.4本文主要研究内容

第二章HCCI柴油机燃烧模型

2.1 HCCI柴油机燃烧室物理模型

2.2控制方程

2.2.1能量守恒方程

2.2.2质量守恒方程

2.2.3气体状态方程

2.2.4工作容积状态方程

2.3燃烧化学模型

2.3.1着火机理

2.3.2化学反应模型

2.4燃烧计算模型

2.4.1放热率计算模型

2.4.2传热模型

2.5气体质量流率计算模型

2.6本章小结

第三章EGR对HCCI燃烧放热率的影响

3.1分段Vibe函数及其各参数

3.1.1放热量

3.1.2燃料燃烧参数c

3.1.3燃烧品质指数m

3.1.4燃烧起始角ψo

3.1.5燃烧持续期ψz

3.2过量空气系数与EGR率

3.2.1过量空气系数Φa

3.2.2废气再循环EGR

3.3模拟计算与分析

3.3.1计算程序

3.3.2计算结果与分析

3.4本章小结

第四章柴油机HCCI燃烧工作模拟

4.1关于AVL Boost

4.2柴油机模型

4.3柴油机子模型和参数设置

4.3.1边界条件

4.3.2管道

4.3.3中冷器

4.3.4气缸

4.3.5 EGR系统

4.4模拟计算和分析

4.4.1柴油机性能模拟

4.4.2缸内压力与温度分析

4.4.3 NOx排放分析

4.5柴油机模型优化

4.6本章小结

第五章新型喷油方式的模拟研究

5.1混合控制燃烧(MCC)模型

5.1.1MCC模型基本方程

5.1.2动能与动能密度的计算

5.2脉冲喷油模拟计算

5.2.1均匀脉冲喷油

5.2.2变脉冲喷油

5.3本章小结

第六章全文总结及展望

6.1全文总结

6.2未来工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文

附录

致 谢