燃料在线改质hcci发动机数值模拟及试验研究

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1、分类号:U4610710-2012022017博士学位论文燃料在线改质HCCI发动机数值模拟及试验研究薛乐导师姓名职称张春化教授申请学位类别工学博士学科专业名称载运工具运用工程论文提交日期2015年4月1日论文答辩日期2015年6月10日学位授予单位长安大学TheSimulationofOn-boardFuelReformationandExperimentalResearchonanHCCIEngineADissertationSubmittedfortheDegreeofDoctorCandidate：XueLeSupervisor：Prof.Zha

2、ngChunhuaChang’anUniversity,Xi’an,China摘要随着汽车工业的迅速发展，内燃机作为车用动力装置面临着节能与环保的双重挑战，于是新一代的燃烧方式均质压燃（HomogeneousChargeCompressionIgnition，HCCI）应运而生。均质充量压缩着火是一种新型的燃烧方式，特点是均质混合气进入气缸，通过活塞上行压缩而自动着火，它结合了传统柴油机和汽油机的众多优点，突破了传统柴油机无法同时降低NOx和颗粒物排放的难题，由于燃料来源十分广泛，因而HCCI发动机成为内燃机领域的研究热点。本文的主要工作和结论如下：1）

3、数值模拟与参数优化。以正丁醇为燃料进行，首先利用CHEMKIN建立了燃料在线改质模型，并计算出了改质室内混合气的浓度，通过模拟得出在特定工况点下最优化的改质系统参数。具体实现方式为：通过在气缸盖上建立一个体积适当的改质室以产生改质气体，在下循环中使其与主缸内混合气混合，从而对燃烧反应路径产生影响。模拟结果表明，在总体浓度λ1=3.0、发动机转速n=1200r/min和初始进气温度Tin=433K的条件下，得出改质系统最佳的参数为：改质室浓度为λ3=0.4，改质室体积为Vr=4mL（对应的发动机有效压缩比为15.8），截留相位为Φc=20°CA，改质相位为

4、Φo=-5.2°CA。数值模拟结果显示，燃料在线改质方案能够有效控制正丁醇HCCI燃烧相位并在拓展发动机运行范围方面有明显的效果。2）试验研究与分析。针对CT2100Q型双缸柴油机进行改造，实现其中一缸以HCCI模式运行。首先以正丁醇为试验燃料进行HCCI试验，研究进气温度、混合气浓度和转速对正丁醇HCCI的燃烧特性、排放特性及发动机的性能的影响。添加缸内直喷系统，研究缸内直喷正庚烷对燃烧带来的影响；对比分析有无缸内喷射系统时的燃烧特性和排放特性及发动机性能的变化；研究缸内直喷压力、缸内直喷量、缸内直喷相位及缸内直喷系统参与下进气温度对燃烧、排放特性和发

5、动机性能的影响。试验结果表明，随着进气温度不断升高，峰值缸内压力、峰值缸内温度和峰值瞬时放热率等均有所升高，且它们出现的曲轴转角有所提前，同时燃烧时刻也随着进气温度的升高而提前，HC和CO排放随着进气温度升高而降低；混合气变浓对燃烧参数的影响较为明显，它们均随混合气变浓而明显呈升高趋势，混合气浓度对HC和CO的排放影响比较复杂。此外，随着i混合气变稀，平均指示压力和指示热效率都有所下降；转速对HCCI燃烧的影响较小，随着发动机转速的升高，缸内压力、压力升高率、瞬时放热率和缸内温度等参数稍有增加，在发动机转速为1200r/min时的峰值压力循环变动系数最小

6、。试验结果显示，缸内直喷正庚烷可以明显改善正丁醇HCCI燃烧，并降低了HCCI的循环变动，使得发动机运行更加稳定，并在一定程度上控制正丁醇HCCI的燃烧相位，使得平均指示压力和指示热效率有所提高，同时对HCCI发动机的运行范围有一定的拓展作用。缸内直喷压力对HCCI发动机的影响有限，而缸内直喷压力与燃烧室形状匹配较好时可使得燃烧质量较好，Pinject=6MPa为最佳值。随着总体混合气浓度的增加（即正庚烷缸内直喷量增加），峰值压力、压力升高率、瞬时放热率和缸内温度都有所增加，它们出现的曲轴转角位置都有所提前，系统存在最佳的总体混合气浓度λt=1.15（即

7、正庚烷缸内直喷量为13mg）使得燃烧状况最佳；燃烧始点、燃烧中点都有所提前，燃烧持续期也有缩短的趋势；缸内直喷相位对燃烧时刻影响较为明显，随着缸内直喷相位延迟直到压缩上止点以后，燃烧循环变动开始增大，其中以φin=340°CA时为最佳。关键词：HCCI，改质气体，数值模拟，正丁醇，正庚烷，燃料在线改质，燃烧特性，排放特性iiAbstractWiththerapiddevelopmentofautomobileindustryinChina,asthemainpowersourceoftheautomobile,InternalCombustionEngi

8、ne(ICE)alsofaceswiththechallengesofbothe