均質充量壓縮燃燒數(shù)值模擬的研究動態(tài)_圖文

1、第35卷第4期2007年8月浙江工業(yè)大學學報J OURNAL OF ZH E J IAN G UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GYVol.35No.4Aug.2007收稿日期:2006210218作者簡介:孟彬(1979,男,浙江寧波人,碩士,研究方向為新型車用能源.均質充量壓縮燃燒數(shù)值模擬的研究動態(tài)孟彬,佘翊妮(浙江工業(yè)大學,機械制造及自動化教育部重點實驗室,浙江杭州310032摘要:與傳統(tǒng)的汽油機和柴油機相比,均質充量壓縮燃燒(HCCI 方式由于其高熱效率和低排放等突出的優(yōu)越性已成為國際上的研究熱點,數(shù)學模擬在其中發(fā)揮著日益重要的作用.因此,對近年來HCCI 燃燒數(shù)值模

2、擬研究的進展按單區(qū)模型、多區(qū)模型和多維CFD 模型分別做了全面評述和討論.前二者在HCCI 總體燃燒特性預測與分析方面已取得了顯著的成績;而CFD 與詳細化學動力學耦合模型由于計算機資源的限制,目前尚處于發(fā)展初期.最后,對該領域存在的問題進行了討論,對今后重點研究方向提出了建議.關鍵詞:均質充量壓縮燃燒(HCCI ;發(fā)動機;模擬中圖分類號:T K40文獻標識碼:A文章編號:100624303(20070420375206R esearch on numerical simulation of homogeneous chargecompression ignition (HCCIcombust

3、ionM EN G Bin ,SH E Y i 2ni(The MOE K ey Laboratory of Mechanical Manufacture and Automation ,Zhejiang University of T echnology ,Hangzhou 310032,China Abstract :Comparing to t he t raditional SI and CI engines ,Homogenous Charge Comp ression Igni 2tion (HCCI has great advantages such as high heat e

4、fficiency and low emission.It has become an international research focus in recent years ,in which t he mat hematical model and simulation tech 2nology plays an important role.In t his paper ,t he research work of HCCI combustion model and simulation are discussed on single zone ,multi 2zo ne and 3D

5、 CFD models.The former two of t he HCCI combustion characteristics of t he overall forecast and analysis has made notable achieve 2ment s ;and CFD wit h detailed chemical kinetics coupling model comp uter reso urce co nstraint s ,are still at t he early stages of develop ment.Finally t he existing p

6、roblems and difficulties in HCCI combustion modeling and simulation are pointed out and t he focus of f ut ure research directions are suggested.K ey w ords :HCCI ;engine ;simulation0引言均質充量壓縮著火(HCCI 燃燒被認為是發(fā)動機燃燒技術的一個重大進步,作為有別于傳統(tǒng)的汽油機均質點燃預混燃燒、柴油機非均質壓燃擴散燃燒和GDI 發(fā)動機分層稀薄燃燒方式的第4種燃燒方式,HCCI 能同時大幅降低NO x 和PM ,并

7、有可能將汽油機的效率提高到柴油機的水平.隨著發(fā)動機控制技術的發(fā)展,HCCI燃燒技術在內燃機節(jié)能和降低排放方面的潛力引起了國際內燃機界的極大關注,美國、歐洲和日本的一些研究機構和企業(yè)都大力開展了這一領域的研究工作.在我國,由蘇萬華教授擔任首席科學家的國家973基礎研究項目新一代內燃機燃燒理論(HCCI燃燒已于2001年得到國家科技部批準,分別由八大院校組織聯(lián)合攻關.在HCCI燃燒研究過程中,作為研究與開發(fā)主要手段之一的數(shù)值模擬近年來已逐步形成了一定的規(guī)模,并取得了重要的進展.1979年,Onishi等人1首次在2行程發(fā)動機上進行HCCI的研究,1983年Najt等人2將零維雙區(qū)模型首次應用到了H

8、CCI 燃燒的理論和數(shù)值分析上,其按照通用的汽油機建模方法,將工質分為未燃燃料和燃燒產物與空氣的混合氣兩部分,而著火過程用shell模型模擬.從20世紀90年代末開始,HCCI數(shù)值模擬研究公開發(fā)表的論文呈逐年遞增之勢,主要來自發(fā)達國家的大學、研究機構和汽車及發(fā)動機的知名企業(yè),如美國Law2 rence Livermore和Sandia國家實驗室、Wisconsin 大學以及福特、通用等廠商.在國家973計劃支持下,國內若干高校也積極開展了該方向的研究.由于HCCI燃燒極其復雜,其全面、準確和高效的模擬是一個相當嚴峻的挑戰(zhàn).應當看到,HCCI 的數(shù)值模擬研究就其目前的發(fā)展水平而言,已落后于實驗研

9、究,一些在HCCI發(fā)動機上已被實驗證明為有效的方法與技術還未見相關數(shù)值模擬的報道. HCCI燃燒有其獨特之處,要深入研究這些現(xiàn)象,除了必須的實驗手段外,仿真模擬也是不可缺少的一個環(huán)節(jié),如HCCI特有的多點著火、湍流與化學動力學的耦合,以及用來控制著火時刻的可變壓縮比等技術都需要在深入研究的基礎上建立相關子模型來開展研究.1HCCI燃燒的數(shù)值模擬一般認為,HCCI燃燒主要受化學反應動力學控制,許多學者對其機理做了大量研究,其放熱率一般分為兩個階段,第一階段放熱和主放熱階段.第一階段放熱與低溫動力學反應有關,此時是冷焰、藍焰.在第一階段放熱和主放熱之間有一個時間延遲,延遲時間主要由這些反應的neg

10、ative temperat ure coefficient regime(負溫度系數(shù)現(xiàn)象,即溫度升高,反應變慢決定的.用光學診斷的方法來研究HCCI 的燃燒過程發(fā)現(xiàn)第二階段燃燒是多點同時進行的,一旦著火,混合氣迅速燃燒,沒有可視火焰?zhèn)鞑?一般認為HCCI的完全燃燒僅由化學動力學控制,沒有一般燃燒中的流動,局部仍存在不均勻物質,從而有局部波動現(xiàn)象,所以盡管沒有前端火焰,HCCI的放熱率并不是由化學反應速率來控制的.為了對HCCI燃燒的著火始點和燃燒過程深入了解,需要對HCCI著火機理進行化學動力學研究.與傳統(tǒng)發(fā)動機數(shù)值模擬將研究重點置于湍流混合和燃燒模型相反,HCCI發(fā)動機燃燒模擬的焦點主要集

11、中在不同燃料的反應機理和化學動力學模型上.盡管缸內氣體的流動對整個反應的速率和著火時間影響很小,或者僅僅是間接的影響,但在本質上化學過程和流體過程還是相互耦合的,所以一般通用的HCCI仿真都是將流體動力學軟件與化學動力學軟件結合而相互解耦.但是任何一種物質的化學反應都是由幾十個幾百個乃至上千個基元反應所組成的,要與流體動力學軟件完全耦合,在現(xiàn)有的計算條件下還是非常困難.因此需要根據(jù)HCCI燃燒特點進行簡化.目前所采用的主要模型有單區(qū)、多區(qū)和CFD模型等.1.1單區(qū)模型HCCI燃燒主要由化學動力學控制,這就決定了其仿真模擬必須把化學動力學模型置于核心地位,而詳細化學反應機理的巨大工作量使得它與多

12、維CFD模型相耦合時非常消耗計算資源.另外, HCCI均質充量多點燃燒的特點決定了其用零維模型必然比用在普通汽油機或柴油機上準確.因此,迄今有關HCCI數(shù)值模擬的研究中,絕大多數(shù)都是基于零維模型329.零維模型一般將整個氣缸視為溫度和濃度均勻的絕熱系統(tǒng),或采用經(jīng)驗公式考慮壁面散熱損失,如Wo schni公式10等,根據(jù)產物的詳細化學動力學模型用化學動力學軟件CH EM KIN,HC T等來模擬反應過程.Aceves等人3運用單區(qū)模型結合詳細的化學動力學模型研究了壓縮比對HCCI燃燒的影響,發(fā)現(xiàn)單區(qū)模型具有預測HCCI燃燒過程的能力,特別是能較準確地計算燃燒始點和滯燃期,也能計673浙江工業(yè)大學

13、學報第35卷算NO x 的排放.但它對燃燒持續(xù)期、最高壓力和燃燒效率預測誤差較大,同時不能計算CO 和HC 排放.燃燒持續(xù)期被低估是由于單區(qū)模型假設缸內所有混合氣都是同時被壓燃,而事實上缸內混合氣不可能為完全均勻狀態(tài),在壓縮過程中部分燃料蒸氣會被擠壓到縫隙區(qū)和壁面處成為溫度很低的冷混合氣而構成所謂的熱邊界層11,12,這導致了缸內混合氣的著火時間有輕微差異,特別是邊界層中的混合氣著火時間會有一個滯后,因而延長了燃燒持續(xù)期.單區(qū)模型假設缸內所有工質完全反應,事實上邊界層中冷混合氣肯定會有不完全燃燒,由此導致最高壓力和溫度被高估,以及CO 和HC 排放計算誤差.現(xiàn)有大多數(shù)零維模型計算一般從下止點或

14、壓縮 沖程某一曲軸轉角開始到燃燒過程結束,不包括進排氣過程,缸內初始條件大都來自實驗數(shù)據(jù).而Og 2ink 等人5的模型將Senkin 模塊與循環(huán)模擬程序Boo st 耦合起來,成功地模擬了整個發(fā)動機工作循環(huán),這就避免了部分循環(huán)模擬中初始條件設置的任意性,從而提高了計算精度.可以看出,在HCCI 燃燒模擬中單區(qū)模型主要是用于定性分析各種運轉參數(shù)對燃燒影響的變化趨勢,如壓縮比、空燃比、轉速、進氣溫度與壓力、燃料成分和EGR 率等.它不能提供精確的定量分析,但是對于要深入理解HCCI 燃燒的過程,如壓力、溫度的時間函數(shù),工質組分的變化歷程,以及確定著火始點、滯燃期和放熱率等重要參數(shù),單區(qū)模型是非常

15、有力的工具.1.2多區(qū)模型零維單區(qū)模型過分簡化了發(fā)動機缸內的真實狀態(tài),缸內混合氣不可能是均勻狀態(tài),即使對HCCI 燃燒,一定程度的不均勻也必然存在,完全均質充量是不現(xiàn)實的.其實國際上現(xiàn)在對HCCI 中的“均質充量”概念已經(jīng)有所拓展,如有人稱柴油HCCI 為PC 2CI (premixed charge comp ression ignition ,預混充氣壓縮燃燒13,認為這樣表述可能更加準確.基于這個思想有人提出了HCCI 燃燒的多區(qū)模型14220.Fiveland 等人構建了一個雙區(qū)模型14,如圖1所示,將整個燃燒室分為絕熱中心層和熱邊界層,通過求解熱邊界層的一維動量和能量方程得出邊界層厚

16、度,以求出被吸入邊界層的混合氣質量.結合詳細的化學動力學模型,該雙區(qū)模型可以比較精確地預測單區(qū)模型力所不及的燃燒持續(xù)期、最高壓力、CO 和HC 排放等.值得注意的是,該模型提出了單區(qū)模型中通常采用的Woschni 傳熱公式并不適用于HCCI 發(fā)動機,因為作為Woschni 公式的擬合數(shù)據(jù)來自于普通柴油機,其燃燒方式與HCCI 燃燒有顯著差別14.圖12區(qū)模型的分區(qū)示意圖Fig.1The schematic of two 2zone modelEasley 等人16提出了一個6區(qū)模型(圖2,包括不變厚度的壁面邊界層區(qū)、定容的缸套與活塞之圖26區(qū)模型的分區(qū)示意圖Fig.2The schematic

17、 of six 2zone model間的縫隙層、3個絕熱的內核層以及一個外區(qū),并通過一維的氣體動力學求解出壓縮階段開始前殘余廢氣分量以及缸內平均溫度,以作為6區(qū)模型運算的初始條件.計算結果顯示,著火首先發(fā)生在溫度最高的內核6區(qū),它著火后膨脹,使相鄰的5區(qū)受到壓縮而點燃,并相繼使4區(qū)和3區(qū)被壓燃,1,2區(qū)則始終不能著火,而且正是此二區(qū)內未燃的混合氣在膨脹沖程流向燃燒室內部高溫區(qū)而生成絕大多數(shù)CO.Flowers 等人17將整個氣缸分別分為10,20和40773第4期孟彬,等:均質充量壓縮燃燒數(shù)值模擬的研究動態(tài)個區(qū),利用CFD軟件計算了在不同分區(qū)情況下壓縮過程中缸內溫度場的分布,通過和實驗對比,

18、研究了多區(qū)模型的分區(qū)數(shù)對模型精度的影響.計算結果顯示當分區(qū)數(shù)為10個時,可較精確預測燃燒持續(xù)期和最高壓力(分別為21%和1.4%的誤差;分區(qū)數(shù)繼續(xù)增加,模型精度并沒有明顯的提高;即使用了40個區(qū)的模型,CO排放還是被低估將近84%(和實驗數(shù)據(jù)對比,這可能是缸內溫度較低的區(qū)域(邊界層和縫隙層離散還是不夠精細的原因.從本質上講,要精確預測HCCI燃燒的所有性能參數(shù),詳細的化學動力學與CFD(計算流體動力學耦合的多維模型是最好的途徑.而在當前計算機資源仍受制約的情況下,多區(qū)模型很好地在計算精度和計算效率之間取了折衷,因而得到了廣泛的應用.1.3CFD模型多區(qū)模型在一定程度上考慮了缸內混合氣的非均勻性

19、,但它忽略了工質的運動過程,從而無法描述和模擬一系列對燃燒過程起重要作用的機理.盡管HCCI燃燒主要由化學動力學主導的觀點已被普遍接受,但是湍流對HCCI的影響仍然存在爭論,因此人們提出了CFD與詳細化學動力學模型相耦合的多維模型21224.美國Wisconsin大學的K ong等人21,22將Chemkin程序與內燃機缸內過程模擬通用軟件KIVA-3V相耦合,即在每一時間步內先利用KIVA-3V算出每一網(wǎng)格單元中的組分濃度、溫度和壓力等熱力學參數(shù),Chemkin利用這些數(shù)據(jù)進行化學反應計算,對各參數(shù)進行更新,供KIVA -3V進行下一步計算,此過程交替進行直到燃燒結束.計算結果驗證了HCCI

20、的著火確實同時發(fā)生在燃燒室較大空間范圍,還發(fā)現(xiàn)湍流對燃燒反應率的影響不可忽略.單純的動力學模型雖然能較好模擬著火定時和兩級著火等現(xiàn)象,但其給出的壓升率和放熱率曲線都與實驗結果有嚴重偏離,但考慮湍流混合效應后,結果大為改善.相對于單區(qū)和多區(qū)模型,CFD與詳細化學動力學耦合的多維模型在計算精度上有了較大提高,但是計算量大、消耗計算機資源的缺點使得其實際應用受到了限制.為了克服這個問題,Aceves等人提出了一個折中方案25227,他們將燃燒室分為幾個區(qū),相互之間不考慮熱量與質量傳遞,區(qū)與區(qū)之間僅由均勻分布的壓力耦合,從而減少了計算量;仿真開始時先用KIVA計算壓縮過程中缸內流場和溫度場,由于著火尚

21、未開始,故化學反應可忽略,因而也減少了一定的計算量.到接近著火時刻時,計算從CFD程序切換到多區(qū)模型.前者產生的溫度、濃度場直接作為后者的初始條件,以便進行燃燒計算.這樣,采用較少的分區(qū)就可達到較高的精度,在一定程度上實現(xiàn)了化學動力學與流體動力學的耦合.Aceves等人通過該模型得出了以下結論(圖3:(1燃燒室最中心層溫度最高,首先開始自燃;(2中心區(qū)自燃開始膨脹,壓迫周圍鄰近的區(qū);(3鄰近區(qū)被壓縮加熱,開始自燃;(4一旦自燃開始,這些區(qū)也開始膨脹并壓縮周圍的區(qū);這個過程周而復始直到該區(qū)內的工質由于溫度過低或者太靠近缸壁而不能反應為止.仿真的結果為在實驗中觀察到的HCCI相對高的HC排放和延遲

22、的熱量釋放(第一階段放熱和主放熱之間的時間延遲提供了有力的佐證 .圖3Aceves等人形容的HCCI燃燒傳播過程Fig.3The HCCI combustion propagation processdescribed by Aceves et al值得注意的是,近年來隨著計算機硬件水平的提高,采用詳細化學反應動力學耦合CFD模型計算HCCI發(fā)動機工作過程開始逐漸增多.如英國brunel大學研究了缸內直噴噴油時刻對HCCI燃燒的影響28.清華大學計算了缸內直噴噴油時刻對HCCI燃燒的影響,解析了分層混合氣壓燃拓展HCCI負荷,發(fā)現(xiàn)著火首先發(fā)生在濃稀交界處29.美國Wisconsin大學采用先進

23、的大渦模擬(L ES建立了三維CFD耦合化學反應動力學模型30,對包括進排氣管在內的4氣門柴油機進行了多循環(huán)仿真,873浙江工業(yè)大學學報第35卷該模型是迄今為止最為復雜的HCCI發(fā)動機CFD 模型,采用的L ES技術能模擬細致的缸內流動,可分析燃燒過程中的燃燒組分變化和循環(huán)波動產生的原因,然而其計算時間高達1000h,在普通微機上實施這樣的計算還是有一定困難.2結論與展望綜合國內外諸多對HCCI數(shù)值模擬的研究工作,可以得出以下結論:(1由于HCCI的著火定時主要受工質的熱動力學和化學動力學主導,零維單區(qū)和多區(qū)模型對于燃燒始點的預測以及定性分析各種運轉參數(shù)對燃燒影響的變化趨勢,如壓縮比、空燃比、

24、轉速、進氣溫度與壓力、燃料成分和EGR率等,已經(jīng)取得了相對令人滿意的結果.(2受缸內工質流動影響,本質上HCCI既非均勻混合也非均勻燃燒,燃燒室內溫度分布不均.因此要精確預測其燃燒持續(xù)期、缸內最高壓力、CO和HC排放等參數(shù),則需要有由詳細的化學動力學與詳細的流體動力學耦合的模型.而在當前計算機資源仍受制約的情況下,多區(qū)模型很好地在計算精度和計算效率之間取了折衷,因而得到了廣泛的應用.(3長遠來看,CFD與詳細化學動力學耦合的多維模型是HCCI模擬的發(fā)展方向,而這必然要以計算機性能的大幅度提升以及更加先進的計算方法為前提,因而需要發(fā)動機界與相關交叉學界的共同努力.參考文獻:1ONISHI S,H

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