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基于废气再循环策略的均质压燃模式试验与仿真研究

李华  
【摘要】:均质压燃(HCCI)模式因其具有较高的热效率和超低NOx和SOOT排放,得到了世界范围内的广泛关注,是当前的研究热点。目前,HCCI模式的实际应用还需要解决两个主要的技术难题,即HCCI模式的着火和燃烧控制问题以及负荷范围的扩展问题。 本文采用最有实用前景的内部EGR策略实现了负气门重叠、排气门晚关以及排气门二次开启策略三种模式下的HCCI燃烧,研究了不同EGR策略下HCCI模式的负荷范围以及负荷范围内的综合性能和燃烧特征参数。对比试验结果和前期研究的一维仿真结果发现了缸内微观参数对HCCI燃烧的影响。用三维CFD软件STAR-CD建立了HCCI燃烧模拟仿真平台,综合研究了不同EGR策略大负荷工况下的缸内微观场的特征,通过纵截面和横截面相结合的方式直观地展现了缸内的流动混合、燃烧以及排放物生成情况,描述了不同策略下缸内工质状态的变迁过程。通过假设试验验证了工质分层对HCCI燃烧的影响,引入局部稀释度的概念评价了不同EGR策略下着火之前的工质分层程度。尝试通过复合喷油策略控制缸内工质的分层程度,进而控制HCCI模式的着火和燃烧过程。 试验研究表明,负气门重叠策略下,截留废气的温度较高,而且工质容易出现分层现象,因此该模式在较低的内部EGR率下仍能实现稳定的HCCI着火燃烧,最低EGR率为25%,其它两种EGR策略下,废气经历了排气管内的热交换过程,因而EGR温度相对较低,加上两者的工质混合均匀程度较好,因此在HCCI负荷上限时需要的EGR率比负气门重叠方式要高一些。在负荷下限时,较大的EGR量表现出较强的稀释作用,工质分层对着火的影响可以忽略,因此HCCI模式负荷下限的EGR率相近,IMEP相差不大。将不同EGR策略的负荷范围进行对比发现,负气门重叠策略下所能实现的负荷范围最宽,后续的深入研究将在该策略的基础上进行。 由于泵气损失不同,导致三种策略下的热效率略有不同,负气门重叠策略存在废气的二次压缩过程,泵气损失大,热效率略低,但在负荷范围内的大部分区域,热效率高于25%,其它两种策略下泵气损失非常小,热效率都较高,排气门晚关策略下的最高热效率达到了34%。从排放水平上来看,负气门重叠策略下的NOx排放量较高,但与传统发动机的排放水平相比仍是非常低的。 从不同EGR策略下HCCI燃烧特征参数来看,HCCI模式的放热迅速,燃烧持续期短,压升率大,燃烧较为粗暴,这是HCCI热效率高的原因之一。不同策略下的着火始点范围略有不同,排气门二次开启策略和负气门重叠策略下的CA10时刻较为相近,而在排气门晚关策略小负荷下CA10时刻最晚达到了9°CAATDC。 试验结果和前期的一维仿真结果对比发现,不同EGR策略下试验手段获得的负荷上限和下限都分别比一维仿真获得的上限和下限要大。分析原因认为,试验过程中工质存在自然产生的分层现象,可以在较低的EGR率时形成局部热点来触发自燃着火,而一维仿真计算中耦合的CHEMKIN模块认为缸内是一个均相系统,要使缸内不同的位置都达到自燃着火状态需要的EGR率较大,因此试验获得的负荷上限较大。 采用多维CFD耦合详细化学机理的方法对不同EGR策略下的微观特征进行了研究。结果表明,不同EGR策略下新鲜工质和废气的进气形式不同,导致缸内的工质分布状态有较大差异,进气流动动能的差别会使缸内新鲜工质和废气之间的分层程度不同,进而影响HCCI模式的着火燃烧过程。假设试验验证了工质分层对HCCI模式的影响,着火之前的工质分层有利于自燃着火。为此,论文引入了局部稀释度的概念来评价不同策略下的工质分层情况,研究发现在目标集合内负气门重叠策略下稀释度的变化较大,说明了该策略在燃烧之前的EGR分层程度高,而另外两种策略的稀释度变化较小,工质较为均匀。 对HCCI自燃着火过程的研究发现,温度和OH自由基浓度在缸内的分布规律上一致的,OH自由基的大量生成是集中放热过程的标志,其浓度高的区域,缸内温度也很高。而且,从截面图中可以直观的看出HCCI模式的着火方式是分布式的多点着火,分层程度较高的EGR策略更有利于着火,着火时刻比较提前,自燃着火速度快。 采用复合喷油策略研究缸内工质状态对HCCI燃烧的影响时发现,直喷时刻相同时,不同直喷比例对HCCI模式的着火始点有重要影响。随着直喷比例的增加,缸内温度受到的影响变大,燃烧始点逐渐推迟,峰值压力和放热率逐渐降低,IMEP略有降低。直喷时刻对HCCI燃烧也有一定程度的影响,但是影响效果有限。随着直喷时刻逐渐推迟,HCCI模式着火始点略有推迟,燃烧持续期略有增加。缸压曲线的峰值略有降低,放热率峰值变化不大。 复合喷油策略下,随着直喷比例的逐渐增加,缸内的局部稀释度和温度有较大程度的改变,在气缸中心位置新鲜工质的浓度增大,稀释度和温度都降低,对不同直喷比例的研究表明,在进气门下方的局部稀释度较小,而燃烧也基本从这个位置开始,因此燃烧并不简单的出现在温度较高、局部EGR率较大的地方,而是出现在温度和浓度都合适的位置。直喷时刻不同时,由于直喷比例较小,局部稀释度和温度变化幅度较小,仅在局部细节上略有差别。 不同直喷比例对排放物的形成时刻和最终生成量有较大的影响;直喷比例相同时,直喷时刻变化对排放物的生成影响较小。 概括而言,调整直喷比例在控制HCCI自燃着火、燃烧速率以及降低排放物方面有更大的优势,直喷比例不大的情况下调整直喷时刻对HCCI燃烧的影响效果有限。


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