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基于可变气门机构的HCCI汽油机缸内流场和物质分布特性的仿真研究

作　者: 申孟芹
导　师: 赵华；谢辉
学　校: 天津大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 进气门控制策略流场特性不均匀度外部废气再循环数值模拟
分类号: TK411
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

均质充量压缩着火(Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI)燃烧作为一种高效、低温、低排放的新型燃烧方式,受到了内燃机研究领域的广泛关注。HCCI燃烧主要受到化学反应动力学的控制,而发动机缸内流场特征的变化会影响缸内不同区域间温度以及组分的传递,进而对燃烧过程产生影响。在装有全可变气门机构的HCCI汽油机上,排气门参数决定缸内残余废气率,控制混合气特性和压缩初始温度;而进气门定时和升程可以调节进气中缸内流场特性及新鲜气和缸内残余废气的掺混过程。同时有效压缩比和进气回流的变化也可以改变压缩过程中混合气的温度历程。这样就可以改变缸内温度及物质组分的分层分布,进而达到控制及优化燃烧过程的目的。本文针对使用缸内不均匀分布控制HCCI燃烧的问题,通过三维数值模拟方法,研究了固定排气门参数时,固定进气门升程调整进气门相位的VVT策略,固定进气门开启时刻调整进气门升程的IVO策略,固定进气门关闭时刻调整进气门升程的IVC策略以及固定进气门升程峰值时刻调整进气门升程的IVP策略等四种进气门控制策略对进气及压缩冲程中缸内流场变化的影响,以及由此引起的压缩冲程后期残余废气和温度分布的变化。通过与PIV流场测试实验结果比较,验证了三维计算结果的可靠性。研究表明,基于废气重压缩策略HCCI汽油机进气行程中,缸内流动呈现两种走向。一股直接沿进气门侧气缸壁向下发展:另一股气流经排气门侧燃烧室壁向下流入气缸。两股气流缸内相互作用形成明显的双涡结构。压缩终了缸内残余废气浓区位置由缸内流场中双涡之间的发展变化决定。前后回流的状态会影响进气及压缩过程中滚流的发展和变化历程,并影响温度的变化。缸内残余废气不均匀度受实际进气持续期以及进气质量流率的影响。实际进气持续期增长有利于混合的进行,降低残余废气不均匀度。进气质量流率的增大使得进气中滚流比及湍流强度增大,有利于混合。在气门控制策略中,进气回流是调节缸内流场状态的有效手段。前回流时,小部分残余废气和进气道内的新鲜充量进行了预混,但这缩短了新鲜进气时实际进气持续期,增大了残余废气的不均匀度。但前回流会降低回流到进气道内的残余废气温度,影响压缩终了时的温度分布。而后回流消耗了混合气的动能,不利于压缩过程中缸内的混合;并带走了部分热量,影响温度分布。故进气门控制策略中回流状态的变化会引起一定程度上残余废气不均匀度和温度不均匀度变化趋势的差异,但影响效果有限。为了探寻控制缸内成分和温度分布的更有效手段,本文还研究了外部废气再循环和废气重吸策略中,压缩冲程后期缸内成分和温度的分布情况。外部残余废气再循环在保持温度分布及分层不变的情况下,降低了压缩冲程后期残余废气的不均匀度,一定程度上实现了残余废气分层和温度分层的解耦。废气重吸策略可以降低缸内温度,其中排气门晚关策略残余废气和温度不均匀度较大,废气及温度分层明显,但残余废气分布仍和温度分布呈现很大的相关性。而排气门重开降低了缸内残余废气和温度的不均匀度,同时残余废气分布和温度分布相关性相对减弱。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-20
  1.1 引言  9-13
  1.2 基于可变气门驱动技术的汽油机HCCI 控制策略的研究  13-15
  1.3 内燃机缸内气体流动作用  15-16
  1.4 不均匀度对HCCI 燃烧过程的影响  16-17
  1.5 缸内流场的数值研究  17-18
  1.6 本课题的研究内容及意义  18-20
第二章数值计算模型及验证  20-26
  2.1 几何模型  20
  2.2 数学模型  20-22
    2.2.1 基本守恒方程  20-21
    2.2.2 RNG k-ε湍流模型  21-22
  2.3 控制方程的离散  22-23
  2.4 数值计算算法  23
  2.5 边界条件  23-24
  2.6 数值模拟结果的实验验证  24-26
第三章进气门控制策略对缸内混合过程及物质组分分布影响的研究  26-51
  3.1 计算工况、流场分析参数及缸内物质分布状态的描述  26-32
    3.1.1 计算工况  26-27
    3.1.2 流场分析参数  27
    3.1.3 缸内物质分布状态描述  27-31
    3.1.4 基于废气重压缩策略下缸内换气过程  31-32
  3.2 VVT 策略进气门相位对缸内流场特性以及物质组分分布的影响  32-38
    3.2.1 VVT 策略下进气门相位对换气过程的影响  32-36
    3.2.2 进气门相位对压缩过程中物质组分及温度不均匀性分布的影响  36-38
  3.3 IVO 策略对缸内流场特性及物质组分分布影响的研究  38-42
    3.3.1 IVO 策略下进气及压缩冲程中缸内流场的变化  38-40
    3.3.2 进气门升程对压缩过程中物质组分及温度不均匀性分布的影响  40-42
  3.4 IVC 策略对缸内流场特性及物质组分分布影响的研究  42-45
    3.4.1 IVC 策略下进气及压缩过程中缸内流场的变化  42-44
    3.4.2 IVC 策略下压缩过程后期缸内残余废气和温度分布的变化  44-45
  3.5 IVP 策略对缸内流场特性及物质组分分布影响的研究  45-49
    3.5.1 IVP 策略下进气及压缩过程中缸内流场的变化  45-47
    3.5.2 IVP 策略下压缩过程后期缸内残余废气和温度分布的变化  47-49
  3.6 进气门控制策略比较  49-51
第四章不同废气再利用策略对缸内温度及残余废气分布的影响  51-63
  4.1 外部废气再循环比例对缸内温度及残余废气分布的影响  51-56
  4.2 不同排气门控制策略对新鲜气和残余废气混合过程的影响  56-61
  4.3 本章小结  61-63
第五章全文总结及展望  63-65
  5.1 结论  63-64
  5.2 展望  64-65
参考文献  65-71
发表论文和参加科研情况说明  71-72
致谢  72

基于可变气门机构的HCCI汽油机缸内流场和物质分布特性的仿真研究

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