【摘要】：汽油壓燃(Gasoline Compression Ignition,GCI)低溫燃燒具有實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)高熱效率和低排放的潛力,是當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)研究的熱點(diǎn)。但GCI燃燒模式也存在小負(fù)荷燃燒穩(wěn)定性差、大負(fù)荷碳煙排放高及燃燒反應(yīng)速率快帶來的壓力升高率和爆發(fā)壓力高等問題,需要在探明其燃燒機(jī)理的基礎(chǔ)上尋求解決途徑。本文利用數(shù)值模擬手段針對(duì)GCI燃燒模式開展燃燒過程及碳煙排放的數(shù)值模擬研究,以期揭示GCI燃燒和碳煙排放生成機(jī)理,為探索改善GCI燃燒及碳煙排放的控制策略提供理論參考。本文基于Converge軟件建立GCI燃燒過程的CFD仿真模型,系統(tǒng)開展GCI燃燒過程和碳煙生成演化歷程的多維數(shù)值模擬研究。首先在定容燃燒彈裝置上對(duì)比了三種多步現(xiàn)象學(xué)碳煙模型在噴霧燃燒過程中的碳煙預(yù)測性能,并結(jié)合實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)GCI燃燒和碳煙生成過程進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)開展的GCI燃燒模擬研究表明,通過噴射策略控制實(shí)現(xiàn)合理的混合氣濃度分層可同時(shí)獲得較好燃燒性能和較高的IMEP;晚噴條件下形成的高混合氣濃度分層有利于促進(jìn)自燃著火和抑制壓力升高率,但碳煙排放高;早噴條件下形成的低混合氣濃度分層雖然有利于提高燃燒等容度和降低碳煙排放,但燃燒反應(yīng)速度過快,導(dǎo)致較高的壓力升高率;隨噴射時(shí)刻的推遲,缸內(nèi)著火和燃燒進(jìn)程呈現(xiàn)從類似HCCI的均質(zhì)燃燒逐漸向部分預(yù)混擴(kuò)散燃燒轉(zhuǎn)變的特征。在上述工作基礎(chǔ)上,本文基于一臺(tái)重型柴油機(jī)改造的單缸GCI發(fā)動(dòng)機(jī)建立了CFD計(jì)算模型,在大負(fù)荷工況下系統(tǒng)研究了不同汽油替代物、碳煙模型和噴油策略等對(duì)GCI燃燒和排放特性的數(shù)值模擬研究。研究結(jié)果表明:三組分TRF汽油替代物模型耦合Gokul碳煙排放模型的模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好;與單次噴射策略相比,大負(fù)荷工況下采用兩次噴射策略在拓展發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行范圍和降低碳煙排放方面具有明顯優(yōu)勢:預(yù)噴可使燃燒相位提前,有利于提高IMEP和熱效率;兩次噴射耦合EGR策略可在保持主噴燃油燃燒相位的同時(shí)延長預(yù)噴滯燃期,有效降低壓升率,且碳煙排放隨預(yù)噴比例和主預(yù)噴間隔的增加而降低。兩次噴射結(jié)合一定比例EGR(低于30%),可使發(fā)動(dòng)機(jī)在保持較高熱效率的同時(shí)有效降低壓升率和碳煙排放。
【圖文】：

能源危機(jī)和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻的形勢下，開展內(nèi)燃機(jī)制技術(shù)的研究尤為重要。機(jī)廣泛使用給社會(huì)帶來了飛速發(fā)展，為人類的生活提供了極源和環(huán)境帶來了日益凸顯的負(fù)面影響。近年來，我國汽車和保有量迅速增加。據(jù)中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部編寫的年報(bào)（2017）》[1]顯示，我國機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)到 2.95 億輛機(jī)為動(dòng)力源。隨著我國機(jī)動(dòng)車保有量的逐年增加，對(duì)石油擴(kuò)大，消費(fèi)持續(xù)增長。我國國內(nèi)成品油消費(fèi)量逐年增加， 6.2%，2015 年已達(dá)到 3.38 億噸。我國已成為世界第一大油消費(fèi)國。另一方面，雖然我國石油儲(chǔ)藏量巨大，但是限油氣資源品質(zhì)等原因，具有現(xiàn)實(shí)可開發(fā)價(jià)值的資源比例不高的大量消耗，可開采的石油也逐漸減少。據(jù)國土資源部公已探明的石油可采儲(chǔ)量為 35 億噸，石油資源面臨日益短缺國石油對(duì)外依存度也在不斷上升，如圖 1-1 所示。

I 燃燒方式的提出高效清潔燃燒技術(shù)一直是內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)。氣道噴射汽油機(jī)氣和火花塞點(diǎn)燃的方式，在燃燒過程中碳煙生成極低，但是缸內(nèi)的大量 NOx 產(chǎn)生，同時(shí)火焰無法傳播到活塞環(huán)等狹隙區(qū)域以及壁面使排氣中含有較高比例的 HC 和 CO 等不完全燃燒產(chǎn)物。柴油機(jī)具比，，并且采用缸內(nèi)直噴的方式減少了節(jié)氣損失等因素，相對(duì)于汽油熱效率。然而傳統(tǒng)柴油機(jī)的擴(kuò)散燃燒所帶來的碳煙與氮氧化物折中燃燒方式存在排放控制難題。研究表明，燃燒過程中混合氣濃度及放具有決定性作用，如圖 1-2 所示。為了打破傳統(tǒng)燃燒方式的限制應(yīng)路徑，人們提出了低溫燃燒（Low Temperature Combustion，LTC內(nèi)燃機(jī)低溫燃燒方式能夠明顯減少 NOx 和 PM 排放的同時(shí)，降低典型的 LTC 燃燒方式有均質(zhì)壓燃（Homogeneous charge compHCCI）[11]，預(yù)混充量壓燃(Premixed Charge Compression Igni4]，部分預(yù)混壓燃（Partly Premixed Compression Ignition，PPCI）可控壓燃(Reactivity Controlled Compression Ignition，RCCI)[18-20]等
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U464;X734.2

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本文編號(hào)：2622342