均质压燃发动机燃烧与排放的多区模型模拟

应用一个有质量交换的6区模型模拟正庚烷在HCCI发动机中的燃烧和排放特性．通过把缸内划分为缝隙区、边界层区、外核心区和内核心区,加入Woschni传热模型计入了缸内的温度和浓度的不均匀分布．全部计算基于正庚烷燃烧的包含57种组分290个反应的详细机理,结果表明,该多区模型合理地模拟了HCCI发动机的燃烧过程,并可满意地预测出HC、CO和NO的排放．最后采用此多区模型分别讨论了缝隙容积、边界层厚度和壁面温度对HCCI发动机的燃烧和排放的影响．     

基于HCCI发动机着火特性的柴油三组分表征燃料详细化学动力学模型

构建了一个由正庚烷、甲苯和环己烷组成,并加入正庚烷与甲苯的交叉反应,三组分柴油表征燃料的详细化学动力学机理模型,包含1 171种物质、4 580个基元反应.基于着火时刻对于均质充量压燃(HCCI)燃烧的重要性,以着火点为主要衡量标准,采用单区燃烧模型,以不同比例的三组分表征燃料详细化学反应动力学机理模拟HCCI燃烧的燃烧始点,根据HCCI发动机试验数据,确定了三组分机理的最佳组分质量比为8∶1∶1(正庚烷∶甲苯∶环己烷).还对单组分(正庚烷)、最佳比例的双组分(正庚烷、甲苯)和最佳比例的三组分机理进行了比较验证,对3种机理模拟得到的着火滞燃期和放热率的结果进行对比,详细分析了环己烷对表征燃料滞燃期的调整作用,以及交叉反应的加入对表征燃料的影响.结果表明:新的柴油三组分详细机理可以更为准确地描述柴油HCCI着火时刻.     

催化燃烧对均质压燃发动机燃烧特性影响的数值模拟

通过运用DETCHEM软件包,对甲烷在催化剂Rh表面的详细反应机理进行了分析,结果表明数值模拟结果与实验数据相当吻合;通过耦合DETCHEM软件包及CHEMKIN软件包中的SENKIN模块,对活塞顶涂有催化剂铑的均质压燃(HCCI)发动机的燃烧过程进行了数值计算,建立了单区和多区模型．利用单区模型分析了催化燃烧对HCCI发动机着火时刻的影响,同时讨论了催化燃烧对燃烧过程中主要化学组分浓度变化的影响,结果表明催化燃烧会使HCCI发动机着火时刻提前;利用多区模型分析了催化燃烧对HCCI发动机的未燃碳氢化合物(UHC)、氮氧化合物(NOx)排放的影响,结果表明催化燃烧能降低UHC的排放,但会提高NOx的排放．     

催化燃烧对HCCI发动机着火点、燃烧性能及排放的影响

对甲烷在催化剂铑(Rh)表面的反应机理进行了分析。通过修改CHEMKIN软件包中的SENKIN模块,对活塞顶涂有催化剂的HCCI发动机的燃烧过程进行了数值计算,建立了单区、多区模型。利用单区模型分析了催化燃烧对HCCI发动机着火时刻的影响,结果表明在控制HCCI发动机着火时刻方面催化燃烧有其他方式所没有的优势;利用多区模型分析了催化燃烧对HCCI发动机的燃烧性能及HC、CO、NOx排放的影响,结果表明催化燃烧对燃烧效率、着火持续期有较大的影响,同时能降低HC、CO的排放,但会提高NOx的排放。     

基于并行计算的二次喷射式HCCI汽油机的三维数值模拟

建立了缸内直喷HCCI汽油机带进、排气道的燃烧系统的三维工作过程循环数值模型,实现了HCCI发动机包括进气、压缩、燃烧、膨胀和排气工作过程的三维循环模拟并进行了验证.首先基于并行计算进行了不同当量比(负荷)工况下HCCI发动机缸内过程的对比分析,研究了负荷对HCCI发动机着火、燃烧和排放的影响.进而模拟了缸内直喷二次喷射的HCCI发动机循环工作过程,解析了HCCI发动机着火燃烧和排放过程,揭示了HCCI发动机缸内直喷二次喷射控制着火的规律.计算结果有助于对HCCI燃烧过程的深入理解,为HCCI发动机燃烧过程的优化提供了依据.     

正庚烷HCCI燃烧过程的数值模拟及试验研究

结合详细化学动力学机理，运用最新的CHEMKIN—Ⅳ化学动力学软件包中的IC enginc模块模拟了正庚烷的HCCI燃烧过程。并在一台高速四缸柴油机上进行了单缸正庚烷HCCI燃烧试验。分别从理论和试验上研究了正庚烷的HCCI燃烧过程以及各种参数变化对燃烧过程的影响，研究表明：正庚炕燃烧过程由低温反应和高温反应两阶段组成，NC7KET裂解生成OH是低温阶段最重要的反应，高温阶段着火是由H2O2裂解所触发的，低温阶段着火对高温阶段着火起着关键作用；各种参数的变化会导致燃烧过程的显著变化。     

HCCI发动机着火过程控制参数的研究

为了研究HCCI发动机着火控制时刻影响因素,建立了模拟HCCI发动机燃烧的计算模型,以甲烷/丙烷混合物和正庚烷/异辛烷混合物作为燃料,考察了十六烷值、辛烷值、压缩比、燃空当量比、进气温度和压力等因素对HCCI发动机着火时刻的影响.计算结果表明:随着燃料十六烷值的减小或辛烷值的增加,相同条件下燃料的着火延迟期增加;压缩比、燃空当量比和进气温度的变化会引起燃料着火时刻的显著变化;进气压力的变化对燃料着火延迟期的影响较小;气体十六烷值越低,辛烷值越大,着火延迟期受上述参数变化影响越大.研究结果为HCCI发动机的优化设计和燃烧控制提供指导依据.     

湍流对缸内存在催化燃烧的HCCI发动机燃烧与排放特性的影响

将发动机多维CFD程序KIVA-3V与化学动力学程序CHEMKIN Ⅲ及DETCHEM相耦合,模拟了湍流模型对缸内存在催化燃烧的HCCI发动机燃烧及排放特性的影响.发动机以甲烷为燃料,其表面和空间化学反应采用了详细的动力学机理.分析了两种湍流模型对缸内存在催化燃烧的HCCI发动机着火时刻、缸内温度场及HC、CO、NO浓度场的影响,结果表明当采用RNG k-ε模型时,与采用标准k-ε模型相比,HCCI发动机着火时刻会有所延迟,HC、CO排放有所升高,但Nox的排放将会有大幅降低.     

进气温度对HCCI发动机燃烧及排放的影响

本文应用Chemkin软件对基础燃料(Primary Reference Fuel,PRF)氧化燃烧的化学动力过程进行了理论研究,模拟了正庚烷、汽油双燃料均质压燃(Homogeneous Charge Compression Ignition,HCCI)发动机的燃烧过程,研究了进气温度对HCCI燃烧及排放的影响,分析了优化燃烧与排放的基本方法。     

正庚烷均质压燃燃烧简化动力学模型

在详细化学反应动力学研究的基础上,通过对正庚烷均质压燃燃烧各阶段反应途径分析和敏感性分析,构建了一个新的包括35种物质和41个基元反应的正庚烷均质压燃简化动力学模型．在发动机模拟方面,对此模型进行有效性分析,结果表明,在一定的边界条件范围内,简化动力学模型在着火时刻、缸内温度和压力方面都与详细动力学模型吻合较好,简化动力学模型适用于模拟HCCI部分燃烧边界条件．     

Multi-dimensional Modeling of the Application of Catalytic Combustion to Homogeneous Charge Compression Ignition Engine

The detailed surface reaction mechanism of methane on rhodium catalyst was analyzed.Comparisons betweennumerical simulation and experiments showed a basic agreement.The combustion process of homogeneouscharge compression ignition(HCCI)engine whose piston surface has been coated with catalyst(rhodium andplatinum)was numerically investigated.A multi-dimensional model with detailed chemical kinetics was built.The effects of catalytic combustion on the ignition timing,the temperature and CO concentration fields,and HC,CO and NO_x emissions of the HCCI engine were discussed.The results showed the ignition timing of the HCCIengine was advanced and the emissions of HC and CO were decreased by the catalysis.     

HCCI发动机燃烧多维数值模拟(Ⅱ)——运行工况向高负荷扩展方法的探讨

使用多维详细动力学模型模拟了以异辛烷为燃料的均质压燃(HCCI)发动机的燃烧过程。通过结合多维CFD程序KIVA和详细反应动力学程序CHEMKIN实现了化学反应与流动的耦合运算。计算比较了通过降低初始温度延迟着火点,降低缸壁温度和加大涡流比增强缸内的热分层,以及加入EGR率4种不同的方法来降低声响强度,以避免敲缸的发生,实现向高负荷扩展的目的。结果发现通过适当的着火延迟可以有效地降低声响强度,同时保证性能和排放基本不变。在这4种方法中,加大进气涡流比对降低声响强度的效果最为显著,而使用EGR在综合性能方面表现最佳。     

催化燃烧对均质压燃发动机排放影响的数值模拟

通过耦合DETCHEM软件包及CHEMKIN软件包中的SENKIN模块,对活塞顶涂有催化剂的均质压燃(HCCI)发动机的燃烧过程进行了数值计算,建立了多区模型.利用此模型分析了催化燃烧对HCCI发动机缸内温度、热释放速率以及未燃碳氢化合物(UHC)、氮氧化合物(NOx)、一氧化碳(CO)排放的影响,结果表明催化燃烧能降低UHC、CO的排放,但NOx的排放会有所升高.对不同催化剂及混合催化剂对HCCI发动机缸内温度、热释放速率以及UHC、NOx、CO排放的影响进行了探索,结果表明,和金属铂相比,以铑作催化剂时UHC的排放降低,但NOx、CO排放会有所升高;采用500/0Pt-500/0Rh的混合催化剂时,UHC、NOx的排放介于1000/0Pt与1000/0Rh之间,但CO的排放却比采用1000/0Pt与1000/0Rh时都要低.     

一个新的用于HCCI发动机燃烧研究的正庚烷化学反应动力学简化模型

提出了一个新的适用于HCCI发动机燃烧研究的正庚烷化学反应动力学简化模型，包含44种组分和72个反应。由四个子模型组成：低温反应子模型是在Li等人模型的基础上，定义具体的醛类(RcH0)产物和小分子碳氢产物(Rs)而构建；增加了用于链接低温反应向高温反应过渡的大分子直接裂解成小分子反应子模型；高温反应子模型是在Griffiths等人模型的基础上，去除了无关的基元反应，增加两个关于CO和CH3O的氧化反应而构建；此外，还采用了Golovitchev简化模型中NOx生成子模型。新模型能够模拟正庚烷HCCI燃烧的冷焰和热焰反应以及NOx生成的整个过程，与详细模型计算结果吻合较好。CPU计算时间是详细模型的1／1000，为CFD多维模型与化学反应动力学模型相耦合的燃烧计算提供了可行的途径。     

A simulation of the combustion of hydrogen in HCCI engines using a 3D model with detailed chemical kinetics

The influence of changes in the swirl velocity of the intake mixture on the combustion processes within a homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine fueled with hydrogen were investigated analytically. A turbulent transient 3D predictive computational model which was developed and applied to the HCCI engine combustion system, incorporated detailed chemical kinetics for the oxidation of hydrogen. The effects of changes in the initial intake swirl, temperature and pressure, engine speed and compression and equivalence ratios on the combustion characteristics of a hydrogen fuelled HCCI engine were also examined. It is shown that an increase in the initial flow swirl ratio or speed lengthens the delay period for autoignition and extends the combustion period while reducing NO_x emissions. There are optimum values of the initial swirl ratio and engine speed for a certain mixture intake temperature, pressure, compression and equivalence ratios operational conditions that can achieve high thermal efficiencies and low NO_x emissions while reducing the tendency to knock     

Availability analysis of n-heptane and natural gas blends combustion in HCCI engines

One of the major problems associated with HCCI combustion engine application is lack of direct control for combustion timing. A proposed solution for combustion timing control is using a binary fuel blend in which two fuels with different auto-ignition characteristics are blended at various ratios on a cycle-by-cycle basis.The aim of this research is to investigate the exergy analysis of HCCI combustion when a blended fuel, which consists of n-heptane and natural gas, is used. In order to accomplish this task, a single-zone combustion model has been developed, which performs combustion computations using a complete chemical kinetics mechanism.The study was carried out with different percentages of natural gas in blended fuels and EGR (exhaust gas recirculation) ranging from about 45 to 85 percent and 0 to 40 percent, respectively. The results reveal that, when mass percentage of natural gas increases, exergy destruction is decreased increasing the second-law efficiency. Introducing EGR into the intake charge of dual fuel HCCI engine up to some stage (optimum value) enhances the second-law performance of the engine in spite of a reduction in work.     

高辛烷值燃料HCCI燃烧特性的变参数研究

构建了一种高辛烷值燃料与空气压缩自燃反应机理(89种组分,413个反应)。用在快速压缩机上获得的试验数据对它进行了验证,考察了机理的有效性。然后将其嵌入内燃机模型,在CHEMKIN平台上对这种燃料的HCCI燃烧特性进行了变参数的数值模拟,研究了进气温度、进气压力、空燃比、压缩比、转速和EGR等因素对燃烧特性的影响,同时预测了缸内反应物、生成物、自由基浓度随曲轴转角变化的历程。计算结果对燃用高辛烷值燃料HCCI发动机燃烧过程的优化提供了依据。     

Application of micro-genetic algorithm for calibration of kinetic parameters in HCCI engine combustion model

The micro-genetic algorithm (?GA) as a highly effective optimization method, is applied to calibrate to a newly developed reduced chemical kinetic model (40 species and 62 reactions) for the homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion of n-heptane to improve its autoignition predictions for different engine operating conditions. The seven kinetic parameters of the calibrated model are determined using a combination of the Micro-Genetic Algorithm and the SENKIN program of CHEMKIN chemical kinetics software package. Simulation results show that the autoignition predictions of the calibrated model agree better with those of the detailed chemical kinetic model (544 species and 2 446 reactions) than the original model over the range of equivalence ratios from 0.1–1.3 and temperature from 300–3 000 K. The results of this study have demonstrated that the mGA is an effective tool to facilitate the calibration of a large number of kinetic parameters in a reduced kinetic model.