HCCI发动机燃烧的单区模型模拟文献综述

 2021-10-11 07:10

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引言

内燃机发明已有100多年的历史,由于其热效率高、功率范围广、比质量轻、移动方便,因而被广泛应用于各行各业,尤其是汽车工业。国内外专家认为:在今后相当长的时间内,至少21世纪前半叶,以石油(柴油,汽油)为燃料的内燃机仍然是汽车的主流动力装置[22]

自从1876 年产生第一台四冲程内燃机以来, 内燃机工业经过一百多年的发展, 传统的点燃式和压燃式内燃机在进一步提高燃料利用率和降低有害物排放方面已经达到了极限。为此, 要突破内燃机排放和经济性的限制, 世界各发达国家开展了内燃机新型燃烧技术的研究。直到20 世纪70 年代, 首次提出了均质压燃(homogeneous chaignition,HCCI) 的概念, 但由于控制技术的限制而没有受到重视。 90 年代后期, 随着控制技术的发展, 均质压燃技术以其在内燃机节能减排方面的巨大潜力而备受关注。人们估计今后柴油机燃油喷射系统的进一步改进对进一步降低NOx和微粒排放的潜力已趋饱和状态[23]。大量研究表明,对于扩散燃烧方式的柴油机,降低PM和降低NOx所要采取的技术措施往往是相互矛盾的。在没有废气后处理装置的情况下,这些措施难以满足未来更严格的排放法规[25],而使用废气后处理装置会带来经济性恶化、成本上升以及可靠性等问题[24]。因此在2007年以后解决柴油机的排放问题,使柴油机向零排放的目标前进,现有的技术将面临前所未有的挑战。

一、柴油为燃料的HCCI发动机技术研究现状

1979年,Onishi等人在二行程发动机上进行了HCCI的研究,发现低负荷工况下,在1000r/min到4000r/min的转速范围内HCCI都比传统的工作方式有更好的工作稳定性,燃油经济性和排放也都有显著地改进[1]。Lida在1994年的实验表明,在二行程发动机上用甲醇作燃料,HCCI的工作范围可以明显扩展[2]。Honda公司于1997年展示了采用HCCI的二行程发动机[3]。IPF公司也开发了应用HCCI概念的二行程发动机[4]。在这两款发动机中,HCCI被用来改进部分负荷的稳定性和燃油经济性,减少HC排放。

1983年,Najt和Foster在Waukesha Cooperative Fuels Research(CFR,混合燃料研究)机上用简单动力学模型计算出了适当压缩比、高EGR与放热率的关系,并指出在四行程发动机上也可采用HCCI方式[5]。1989年Thing用一台楔形燃烧室、压缩比8:1、预混、汽油混合温度640K、EGR为13%至33%的Labeco Cooperative Lubricant Research(CFR)发动机测出了允许的运行参数,并提出HCCI这一描述此种燃烧过程的名词。Thing首次采用了两种燃烧模式,即在大负荷使用火花点火方式,在部分符合采用HCCI方式[6]。1992年,Stockinger等人首次在实用的6LVW发动机上研究HCCI,使发动机的工作负荷范围从14%拓宽到34%[7]。1996年Ryan和Challahan用可变压缩比发动机测出以十六烷值为47的柴油为燃料的HCCI的运行范围,并发现可用压缩比、EGR水平和当量比控制燃烧同时发现燃料用柴油时不能用太高压缩比[8]。1997年Nakagome et al 在直喷柴油机上用早喷的方式达到了低NOX(20*10-5)的HCCI效果。同年,Christersen,Johansson等人采用异辛烷(辛烷值100)、酒精(辛烷值107)和天然气(辛烷值120)等3中燃料进行HCCI试验,结果表明高的辛烷值对于HCCI是有益的[9]。1998年,Christersen,Johansson,Anmeus和Mause的研究结果表明,采用增压可增加发动机使用HCCI燃烧方式的平均有效压力(Pme)[10]。1999年,Christersen等人的试验又证明的几乎所有的液体燃料都能用于可变压缩比的HCCI方式中[10]。2002年,郑进才[11]等在美国圣地亚国家重点实验室成功地四冲程发动机上进行了HCCI试验,通过高EGR水平大大降低了UHC(碳氢化合物)和CO排放。由于意识到 HCCI在解决NOX 和 PM排放方面的巨大潜力 ,近两年对于 HCCI燃烧特点研究更多 ,如:研究多种液体燃料 HCCI的燃烧特点;用多区模型预测 HCCI燃烧和排放;空燃比和温度分布对 HCCI燃烧的影响模型;HCCI燃烧的多维计算流体力学详细化学动力学模型和试验等等。

美国西南研究院[12]也很早就开展柴油机 预混稀燃 的研究 ,图 1是其试验装置图 ,利用类似于汽油机进气道低压喷射的方法把柴油直接喷入进气管中;为了使柴油和空气加速混合 ,采用电加热进气管并采用 ECR ;预混的稀混合气经压缩后多点着火 ,消除了扩散燃烧 ,稀混合气降低火焰温度 ,可使NOX 排放比普通柴油机减少 98 %之多 ,由于气缸内不存在局部混合气过浓区 ,可使 PM的排放减少 27 % ,指示热效率有所改善。英国的赵华在 RICARDO发动机上对 HCCI进行了深入研究 ,通过可变气门正时和可变凸轮升程改变缸内废气的含量 ,在中、 小负荷范围内实现了 HCCI燃烧 ,也给大负荷运行找到了可行出口。但这种发动机结构复杂 ,价格昂贵 ,是其商业化的一大障碍。

上述研究结果表明 ,HCCI方式既可用在二行程发动机上 ,也可用在四行程发动机上 ,但应用的工作范围受到一定限制;HCCI方式具有较高热效率、 低的NOX 和 PM排放及较小的循环变动等优点;采用增压可有效扩大发动机的稳定工作范围并增大Pme。

HCCI试验装置

二、HCCI燃烧特点及其面临的挑战

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