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摘 要

均质充量压缩燃烧（HCCI）的概念自九十年代提出以来，一直是内燃机领域的专家学者们热衷研究的课题之一。它的出现也为实现内燃机更高效，更清洁的燃烧提供了新的方向，但是经过多年的研究，其中仍有许多技术性的难关尚未攻破。本文针对柴油机HCCI的燃烧与排放问题，通过CHEMKIN软件的数值模拟建立HCCI发动机的正庚烷的单区与多区燃烧模型，将模拟结果进行对比分析，研究车用内燃机运行时各项参数对燃烧数值的影响，并以此为基础得出以柴油为HCCI燃料的发动机燃烧与排放的优化策略。在本论文的课题中，经由观察分析得出单区和多区模型燃烧数值模拟状况的差异，还发现车用内燃机的转速、当量比、初始温度等运行参数对燃烧的数值的作用规律，获得一系列针对柴油HCCI发动机运行与排放的优化改进策略。

关键词：柴油机 均质充量压缩燃烧 数值模拟 排放

Numerical simulation of HCCI in a diesel engine using single zone and multi zone model

ABSTRACT

Since the concept of homogeneous charge compression ignition (HCCI) has been proposed in the ninety's, it has been one of the research topics in the field of internal combustion engine. Its appearance also provides a new direction for the realization of more efficient and clean combustion engine. However, after many years of research, there are still many technical difficulties. This paper for diesel HCCI Combustion and emissions, by CHEMKIN software of numerical simulation in the establishment of HCCI Engine n-heptane single zone and multi zone combustion model. The simulation results and experimental combination, research engine operation parameters influence on combustion numerical and to the premise that on diesel fuel HCCI Engine Combustion and emission of the optimization strategy. In the research of this topic, by comparing the obtained single zone and multi zone model difference of combustion numerical simulation precision, also found that the engine speed, air-fuel ratio, inlet air temperature on combustion is investigated numerically rules, draw a series for diesel HCCI Engine Combustion and emission of the optimization strategy.

KEY WORDS: Diesel engine, Homogeneous Charge Compression Ignition，numerical simulation，emission

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 前言 1

1.1 HCCI发动机发展背景 1

1.2 HCCI发动机概述 1

1.3 HCCI发动机发展遇到的困难 3

1.4 HCCI发动机数值模拟 4

第二章 CHEMKIN程序与模型建立 5

2.1内燃机计算模型简介 5

2.2计算软件及其模型 5

2.2.1 CKEMKIN软件介绍 5

2.2.2 计算假设与控制 6

2.2.3热力学基础模型 7

2.2.4 化学反应速率模型 9

2.3 发动机几何模型 10

2.3.1 HCCI发动机基本模型建立 10

2.3.2 多区模型的建立 10

第三章 单区数值模拟 13

3.1 HCCI发动机的基本参数与标准工况 13

3.2 单区模拟结果 14

3.2.1 转速对单区数值模拟的影响 14

3.2.2 进气温度对单区数值模拟的影响 17

3.2.3 进气压力对单区数值模拟的影响 20

3.2.4 当量比对单区数值模拟的影响 23

第四章 多区数值模拟 27

4.1 多区模型的模型标定 27

4.2 多区模拟结果 28

4.2.1 由多区模拟得到的燃烧规律 28

4.2.2 各区对燃烧排放的影响 33

4.2.3不同工况燃烧排放的影响 36

总结 43

参考文献 45

第一章 前言

1.1 HCCI发动机发展背景

目前，我国与世界各国都面临着严重的能源危机，以目前的石油储备和能源消耗增长率而言，再过几十年就将开采殆尽，这就意味着到时候一切建立在石油工业上的世界经济将会遭到毁灭性的打击^[1]。这一严峻的考验也迫使世界各国在这场能源危机中使出了浑身解数，以免对即将到来的能源短缺与枯竭。其中以欧美各国最为明显，数据显示，2007年，欧盟国家的能源消费下降了2.2%，日本下降了0.7%；然而同年，我国的能源消费却增长了7.7%，相较2000年时，2007年我国人均能源消耗增加了将近一倍。近年来，我国的能源消费依然保持较高的增长。改革开放以来，由于经济的飞跃发展，我国的石油消耗也日益增长，其中汽车是石油消耗的一个主要方面。汽车业的蓬勃发展对于我国经济发展有着重要的意义，但是同时也带来了一系列的问题。在这一系列的问题中，最主要的问题有两个：能源的浪费和环境的污染。由于内燃机学科在我国起步较晚，我国的内燃机在各项指标上相较于外国而言都有着明显的差距，其中尤以燃烧效率为甚。这一缺陷使得我国的能源浪费问题相较于欧美各国和日本尤为突出，提高我国内燃机的燃烧效率也是一个专家学者们研究的一个重点。能源的大量消耗也逐渐使得环境变得日益恶化，这其中汽车尾气的燃烧排放是造成环境污染的主要来源之一。近年来，雾霾与PM2.5成为环境保护主题中的两个热词，而这两者产生的主要来源都是汽车的尾气排放。以PM2.5为例，在我国污染严重的地方年均值甚至能达到110多，而国际标准的年均值却只有10，尾气污染的严重程度可见一斑。从以上描述的种种情况都可以看出，我国的能源与环境问题将愈来愈严重，在目前这种情况下，提升内燃机的燃烧效率，降低排放污染将会是我国内燃机发展的重要目标^[2]。

1.2 HCCI发动机概述

HCCI发动机系统的基本组成如下图1-1中所示。

图1-1 HCCI发动机系统

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