【摘要】：汽油壓燃(Gasoline Compression Ignition,GCI)低溫燃燒具有實現(xiàn)內(nèi)燃機高熱效率和低排放的潛力,是當前內(nèi)燃機研究的熱點。但GCI燃燒模式也存在小負荷燃燒穩(wěn)定性差、大負荷碳煙排放高及燃燒反應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理的基礎上尋求解決途徑。本文利用數(shù)值模擬手段針對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比了三種多步現(xiàn)象學碳煙模型在噴霧燃燒過程中的碳煙預測性能,并結合實際發(fā)動機對GCI燃燒和碳煙生成過程進行試驗驗證。針對光學發(fā)動機開展的GCI燃燒模擬研究表明,通過噴射策略控制實現(xiàn)合理的混合氣濃度分層可同時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,但燃燒反應速度過快,導致較高的壓力升高率;隨噴射時刻的推遲,缸內(nèi)著火和燃燒進程呈現(xiàn)從類似HCCI的均質燃燒逐漸向部分預混擴散燃燒轉變的特征。在上述工作基礎上,本文基于一臺重型柴油機改造的單缸GCI發(fā)動機建立了CFD計算模型,在大負荷工況下系統(tǒng)研究了不同汽油替代物、碳煙模型和噴油策略等對GCI燃燒和排放特性的數(shù)值模擬研究。研究結果表明:三組分TRF汽油替代物模型耦合Gokul碳煙排放模型的模擬結果與試驗數(shù)據(jù)吻合較好;與單次噴射策略相比,大負荷工況下采用兩次噴射策略在拓展發(fā)動機穩(wěn)定運行范圍和降低碳煙排放方面具有明顯優(yōu)勢:預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延長預噴滯燃期,有效降低壓升率,且碳煙排放隨預噴比例和主預噴間隔的增加而降低。兩次噴射結合一定比例EGR(低于30%),可使發(fā)動機在保持較高熱效率的同時有效降低壓升率和碳煙排放。
【圖文】：

能源危機和環(huán)境污染問題日益嚴峻的形勢下，開展內(nèi)燃機制技術的研究尤為重要。機廣泛使用給社會帶來了飛速發(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)境保護部編寫的年報（2017）》[1]顯示，我國機動車保有量達到 2.95 億輛機為動力源。隨著我國機動車保有量的逐年增加，對石油擴大，消費持續(xù)增長。我國國內(nèi)成品油消費量逐年增加， 6.2%，2015 年已達到 3.38 億噸。我國已成為世界第一大油消費國。另一方面，雖然我國石油儲藏量巨大，但是限油氣資源品質等原因，具有現(xiàn)實可開發(fā)價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量為 35 億噸，石油資源面臨日益短缺國石油對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一直是內(nèi)燃機技術發(fā)展的目標。氣道噴射汽油機氣和火花塞點燃的方式，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，相對于汽油熱效率。然而傳統(tǒng)柴油機的擴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)燃燒方式的限制應路徑，人們提出了低溫燃燒（Low Temperature Combustion，LTC內(nèi)燃機低溫燃燒方式能夠明顯減少 NOx 和 PM 排放的同時，降低典型的 LTC 燃燒方式有均質壓燃（Homogeneous charge compHCCI）[11]，預混充量壓燃(Premixed Charge Compression Igni4]，部分預混壓燃（Partly Premixed Compression Ignition，PPCI）可控壓燃(Reactivity Controlled Compression Ignition，RCCI)[18-20]等
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U464;X734.2

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