可控相位燃料在线改质均质压燃模拟研究.pdfVIP

The Simulation of HCCI Combustion with Phase Controllable On-Board Fuel Reformation A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate：Wu Han Supervisor：Prof. Zhang Chunhua Chang’an University, Xi’an, China 摘 要 随着能源危机和环境污染问题的日益严峻 ，均质压燃（Homogeneous Charge Compression Ignition，HCCI ）作为内燃机的一种新型燃烧方式已经得到广泛关注，并被 认为是满足未来人们对节能环保型动力设备要求的必备策略。HCCI 发动机以预混形式 进气，进入气缸的混合气因受活塞压缩升温而发生自动着火反应，其低温、均质燃烧和 低进气节流的特点既能使发动机提高热效率又能降低尾气排放特别是 NOx 和 PM （Particulate Matter ）排放。然而，虽然均质压燃发动机的优势明显，但其面临着燃烧相 位难以直接控制和运行范围过窄等问题。 为了实现均质压燃发动机燃烧相位的直接精确控制和运行范围拓展，本文研究了一 种具有可控改质相位的燃料在线改质方法。HCCI 燃烧过程受化学反应动力学控制的观 点已被广泛接受，并且一般认为 H 、H 、OH、H O 和 O 等是影响 HCCI 燃烧过程的关 2 2 2 键物质组分。本文研究的方法，就是试图将 HCCI 燃烧过程所受的化学动力学控制转化 为受燃料在线改质系统的操作控制。该燃料改质系统包括带有喷油器的独立改质室和连 接改质室与主燃烧室的可控阀门。阀门在发动机膨胀行程的某一时刻关闭，改质室形成 一个封闭的空间，残留在其内的燃后气体与改质室喷油器喷入的改质乙醇燃料经改质化 学反应生成主要成分为 H 、CO 的高压改质气体；次循环压缩行程某一时刻阀门打开， 2 改质室内改质气体因压力较高而迅速进入主缸，从而参与并影响缸内气体的燃烧化学反 应。整个改质过程，发动机原有的配气相位不受影响。 基于可控相位燃料在线改质方法的思路，本文利用计算软件中的 IC （Internal Combustion Engine ）、CHR （Closed Homogeneous Reactor ）和 GM （Gas Mixer ）等计 算模块建立了改质 HCCI 燃烧的计算模型。模型中发动机参数设置以四冲程柴油机 CT2100Q 为基础，主燃料和改质燃料均为乙醇，成功实现了模型的计算。分析大量的计 算结果发现：改质气体中的 H2 和 CO 可以显著影响 HCCI 燃烧过程，并且 H2 的影响效 果更为明显，可以作为改质反应的目标产物；改质反应结果几乎不受初始压力的影响， 但受初始温度和改质浓度影响较大，通过优化截气相位和改质室浓度即可使改质气体中 目标产物H2 的量达到最大值；改质气体进入主缸后可以影响HCCI 发动机的燃烧过程， 发动机着火始点随改质进气相位的推迟而推迟；改质气体进入气缸后缸内混合气并不会 立即发生着火反应，而是存在一定的改质着火延迟期，改质着火延迟期一般会随改质进 I 气相位的推迟而缩短，随发动机转速的升高和进气温度的降低而延长；改质室容积存在 最优值，过大过小都会影响发动机的指示热效率；借助燃料在线改质系统可以精确的控 制 HCCI 燃烧相位，而使 HCCI 发动机获得较高的平均指示压力和指示热效率，并且能 够拓展 HCCI 发动机的运行范围，使其工作在更低的进气温度和更高的转速状态下。 关键词：均质压燃，燃料在线改质，改质相位，乙醇，燃烧相位，运行范围