基于大涡模拟的汽油压燃（GCI）燃烧排放数值模拟研究

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1、天津大学硕士学位论文基于大涡模拟的汽油压燃（GCI）燃烧排放数值模拟研究NumericalStudyontheCombustionandEmissionCharacteristicsofGasolineCompressionIgnition(GCI)BasedonLargeEddySimulation学科专业：动力机械及工程研究生：张晓林指导教师：王浒副教授天津大学机械工程学院2017年12月摘要汽油压燃(GCI)具有在较为宽广的工况范围内同时实现低排放和高热效率的潜力，因此被认为是一种能够满足未来高效、清洁燃烧目标的新型燃

2、烧方式。然而，在大负荷工况下，由于燃烧速率较快，会导致压力升高率过高、压力波动较大以及碳烟排放较高的问题。已有研究表明，采用多次喷射策略能够一定程度上缓解大负荷工况下压力升高率过高的问题，但在较低压力升高率下实现GCI大负荷运行的相关报道还比较少。同时，目前对GCI的数值模拟多采用RANS来进行，并主要针对燃料预混程度较高的工况，对于GCI部分预混燃烧机理的认识还存在不足。本文针对GCI的大负荷工况，首先采用LES揭示了GCI部分预混燃烧过程，进而研究了喷油策略及燃料特性对GCI大负荷燃烧、排放的影响。本课题组前期的研究表明

3、，采用RANS难以对GCI部分预混燃烧模式下的燃烧过程进行较好的预测。因此，本文首先比较并分析了RANS于LES两种不同的湍流模型对汽油部分预混燃烧预测的差异及原因。结果表明，GCI部分预混燃烧中存在多点着火现象，同时燃烧后期高温区域主要集中于喷雾末端靠近壁面的区域而非沿油束蔓延。对不同喷油时刻下GCI燃烧过程的研究表明，GCI主要通过控制燃料的浓度分层从而对燃烧、排放过程进行影响。基于上述研究，继续采用LES对GCI大负荷的燃烧过程进行研究。对GCI单次喷射中喷油压力的研究结果表明，单次喷射的GCI燃烧过程对喷油压力较为敏

4、感，喷油压力增加200bar会使得压力升高率有明显的增加。随着负荷增加，单次喷射会面临热效率与压升率的矛盾。采用两次喷射能够缓解压升率与热效率之间的矛盾，从而实现较好的燃烧。在两次喷射过程中，预喷时刻及预喷比例将直接影响最大压力升高率。在循环喷油量110mg的工况下，采取20%的预喷比例及-83°CAATDC的预喷时刻，能够在10bar/°CA的最大压力升高率内实现44%的热效率。为了进一步探究改善大负荷下碳烟排放的途径，向汽油中掺混一定比例的正丁醇，并随之适当调整喷油策略。结果表明，随着正丁醇掺混比例的增加，燃烧相位也随之

5、推迟，通过调整主、预喷时刻能够使燃烧相位提前，从而获得45%的热效率及0.15g/Kw·h的碳烟排放。关键词：大涡模拟，汽油压燃，大负荷，喷油策略，燃料特性IABSTRACTGasolineCompressionIgnition(GCI)hasbeenregardedasoneofthenovelcombustionmodestoachievecleanandhighefficiencycombustioninabroadrangeofload.However,becauseofthehighpremixedcombusti

6、onandconsequentlyhighheatreleaserate,especiallyathighload,someproblemswillarise,suchasthehighpressureriserate,pressurefluctuationandhighsootemission.Previousresearcheshaveshownthatmultipleinjectionscaneffectivelyreducethepressureriserate.However,evenwithmulti-injec

7、tion,highpressureriseratewasstillobservedinmanyGCIhighloadstudies.Inthemeanwhile,theGCIsimulationsweremainlyconductedusingRANSturbulentmodel,thusboththedetailedandinsightunderstandingonthemixingandcombustionmechanismsathighloadsduringloadextensionstillneedfurtherin

8、vestigation.Therefore,inthispaper,LESturbulentmodelisusedtoexploretheGCIcombustionmechanism,onwhichtheinfluenceofdifferentinjectionstrategiesandf