柴油机燃烧室形状对缸内均质混合气形成影响的数值仿真文献综述

文献综述

一、本课题的意义

近来,空气污染席卷全国,雾霾成为热门话题,使得人们对汽车尾气排放的关注再度升温。日前,工信部宣布于2015年1月1日起在全国范围内全面推行国四排放标准,旨在控制和减少汽车排放污染物,从而达到节能减排的要求。事实上,国四标准实施的消息人们已不陌生。但是无论在配套设施的建设、监管体系的配合还是发动机技术的升级上,行业依然面临诸多挑战[1]。随着机动车保有量的迅速增加，全球石油能源临近枯竭。同时，排放法规日益严格，要求大幅降低汽车尾气中NOx和PM等排放。因此，燃油的经济性、节能减排受到广泛关注。改善燃烧技术渐渐成为一项重要的课题[2].

二、国内外研究慨况

20世纪90年代后期引起全世界内燃机界的高度关注,是内燃机燃烧技术的重大进步,现阶段,各国更多的研究集中在燃用柴油的HCCI燃烧方面[3]。均质充量压缩着火(HCCI，HomogeneousChargeCompressionIgnition)燃烧技术一种不用后处理就能完全解决汽车柴油机氮氧化物NOX和颗粒PM排放问题的最有潜力的技术，愈来愈受到业内研发人员的重视[4]。均质充量压缩着火燃烧，就是柴油机在着火前像汽油机那样形成均质混合气，消除扩散燃烧，采用较高压缩比，压缩可控着火，实现近似等压燃烧；同时要具有良好的化学反应动力学效应，实现低温火焰快速燃烧，燃烧持续期短，燃烧效率高，可以同时保持较高的动力性和燃油经济性，达到高效、低污染的目标[5]。

实现柴油机HCCI燃烧要面临两方面的困难：一是柴油粘度大，挥发性差，难以形成均质混合气；二是柴油作为高十六烷值燃料，容易发生低温自燃反应，均质混合气的燃烧速度控制困难，易造成粗暴燃烧[6]。均质混合气的形成是实现对HCCI燃烧控制的第一步。即在进气冲程把柴油喷入进气道，与空气混合形成预混合气。采用进气道喷射，利用进气涡流来强化混合气的形成，是提高混合气均匀度的一个相对简单的方法[7]。柴油机混合气形成要经历燃油喷射－雾化－汽化－混合这样一个复杂过程，而且还有燃烧中的再混合问题。其所用的燃料（柴油）粘度大、不易挥发，所以柴油机采用内部混合方式形成混合气，即借助喷油设备（喷油泵、喷油嘴）在接近压缩终了的时刻将燃油喷入气缸，形成细小油滴与高温高压的空气混合，利用燃油喷雾蒸发和壁面

油膜蒸发方式在气缸内逐步形成混合气[8]。

柴油机的燃烧过程是柴油机整机工作过程的核心，燃烧室内部的气流运动、燃油雾化、燃烧以及排放物的生成都是柴油机研究的关键环节，对于改善柴油机的性能有很大作用[9]．缸体作为汽车发动机的五大核心部件之一，其制造工艺一直是发动机生产中的重点和难点，其加工精度和一致性的好坏对汽车性能的影响很大[10]。燃烧室几何形状对燃气流场有相当大的影响从而影响燃烧室的燃烧性能,进而影响了柴油机的动力性、经济性和排放质量[11]。通过对不同形状燃烧室的试验研究可以得到以下结论(1)中央带凸起的燃烧室气流运动较强,且可维持较长的时间,这对加速扩散燃烧有利.(2)中央带凸起的燃烧室燃烧过程急速,主燃期较短,适当延迟供油定时可在油耗率和烟度变化不大的前提下大幅度降低NO、排放[12]。结果表明,优化后的燃烧室内气体运动强烈,湍流动能在较大的空间时间范围内维持高水平.通过适当减小供油提前角,采用优化后燃烧室的柴油机预混合燃烧减少,扩散燃烧加强,取得了低NOx、碳烟、CO、HC排放以及低燃油消耗率的效果[13]。柴油发动机微粒捕集器的捕集效果，会因集聚的微粒逐渐增加柴油发动机排气背压，影响换气和燃烧，降低功率输出，增加燃油消耗，所以必须及时清除以恢复其低阻力的特性，即再生[14]。

柴油机的性能与排放特性主要由进气流动、缸内混合和燃烧过程间复杂的相互作用所决定。柴油机缸内的气体流动,特别是燃烧后期的气体流动对柴油机缸内混合气的形成和燃烧有重要的影响,决定着柴油机的经济性和排放性能[15]。柴油机的燃烧模拟是建立在涡团破碎模型基础上的[16]。进气道喷射和缸内早喷或晚喷,其中缸内早喷是一种比较好的方式[17],利用早喷可以形成稀薄准均质混合气[18];早期喷射技术得到广泛的重视和研究。使混合气均匀混合和减少燃油撞击燃烧室壁面，能获得好的燃油经济性、减少HC和微粒排放及防止机油被稀释。此外，混合气的均匀性对燃料的自燃与燃烧有较大的影响。使用挥发性较差的燃料如柴油，要实现均匀的混合气是比较困难的[19]。主要遇到的问题是：柴油燃料的低挥发性和高十六烷值的物性使柴油机早喷比汽油机早喷更加复杂。为了增强燃油混合来完善发动机的运行状况，Takeda与Nakagome等人在预混合稀燃油燃烧(PREDIC)系统中实现早期喷射直喷式HCCI燃烧[20]。早喷方式下，缸内湍流反应速率最大，主要原因仍然是良好混合气形成促进湍流反应进程[21].在改进混合气均匀性和缸内当量比分布的同时，依然要优化喷油、进气与燃烧系统的匹配，控制合理的燃烧相位，才能获得良好的燃烧与排放性能[22]。BUMP燃烧室的复合燃烧技术是一种能够实现均质燃油混合气快速燃烧的新HCCI燃烧方式。它通过电控高压共轨喷油器控制燃油多次喷射，从而控制燃油预混合气的形成和着火时刻。在主喷射时刻，利用燃烧室壁面的BUMP迅速剥离壁面射流，在空间形成二次射流，二次射流进入燃烧室空间后，再一次与空气混合，形成相对均匀的稀混合气。此方法突破了传统柴油机喷油规律为一级、预喷或两级的局限，采用了多级脉冲喷射，也突破了避免在传统燃烧室内燃油撞壁的思维方式，而是巧妙的应用燃烧室壁面的BUMP实现燃油与空气的快速均匀混合[23]。

三、结束语

从能源的角度看,虽然短期内占主导地位的发动机燃料和燃烧方式会发生显著变化,但随着时间的推移,柴油和汽油的日益减少,对发动机节能的要求必将越来越高,采用新的更高效的燃烧方式是满足这一要求的有效途径。HCCI燃烧方式作为一种新的燃烧方式,具有更高的热效率,将这一燃烧方式应用于发动机中,可以缓解我国的能源紧张形势。

主要参考文献：

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