汽油压缩着火的燃烧优化数值模拟研究

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为应对能源危机和环境问题,近年来一些高效低排放的先进燃烧方式得以发展。汽油压缩着火燃烧方式由于可以实现高效燃烧并降低NOx和Soot排放而受到人们关注。在汽油压缩着火发动机中,混合气的着火时刻与燃料的蒸发特性和喷油时刻密切相关。因此,本文在商用软件CONVERGE中,协同探究了汽油压缩着火的关键参数,包括进气温度、喷油时刻和喷油压力等,确定了中小负荷工况下的最佳燃料和关键参数范围,以优化汽油压缩着火的燃烧和排放性能。本文采用基础参比燃料(PRF55~PRF90),在中小负荷(2 bar和8bar)工况下研究燃料反应活性对于汽油压缩着火燃烧方式的影响。计算结果表明,着火延迟在当量比较小时对辛烷值变化较为敏感。中等负荷工况下,净热效率对燃料反应活性变化并不敏感,而在小负荷工况下随燃料辛烷值增加具有先增加后明显降低的变化规律。缸内温度分布决定NOx浓度分布。PRF70燃料在小负荷工况下具有最高的放热率峰值。燃用辛烷值超过85的燃料可以明显降低CO和Soot排放。改变进气门关闭时刻温度(2 bar:350~430 K;8 bar:297~377 K)来优化不同燃料的燃烧性能。结果表明,初始温度的变化在当量比小于0.9时明显影响燃料的着火延迟。小负荷工况下,增加进气门关闭时刻温度可以改善PRF90燃料燃烧特性。当进气门关闭时刻温度增加40K,PRF90的净热效率增加4%,CO和HC排放量分别下降76.78%和94.58%。中等负荷工况下,燃料对进气温度要求降低,增加进气门关闭时刻温度无法改善燃料的净热效率,反而恶化发动机的排放性能。随后,本文数值模拟研究了喷油时刻及喷油压力的调整策略来优化汽油压缩着火的燃烧过程。分析发现,当喷油时刻在-22~-8 oCA ATDC范围内逐渐提前时,油束撞击壁面位置从活塞底部逐渐上移,混合气向上的速度分量逐渐增加。中小负荷工况下,喷油时刻分别在-18 oCA ATDC和-14 oCA ATDC时获得最大46.51%和39.61%的净热效率。小负荷工况下,HC和CO排放随喷油时刻提前先下降后略有增加。综合来看,燃用PRF70燃料在负荷为2 bar和8 bar工况下喷油时刻分别在-15~-13 oCA ATDC和-18~-14 oCA ATDC范围内可以获得较好的GCI燃烧和排放性能。增加喷油压力明显缩短燃料的着火延迟和燃烧持续期。小负荷工况下,PRF70的净热效率明显高于其他燃料,Soot排放量也大幅下降68.48%。缸内当量比分布决定Soot浓度分布。CO在排气门开启时刻主要分布在壁面和气缸中间位置。中等负荷工况下,随喷油压力升高,HC排放最高下降93.48%,CO呈现两头低中间高的变化规律。综合上述结果,增加喷油压力到80 MPa以上方可改善汽油压缩着火的燃烧和排放特性。
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