进气门晚关对柴油HCCI燃烧和排放影响的数值模拟

利用 LIVC 和大量的 EGR 可降低燃烧温度并减少过浓 因此碳烟和 NO x 的排放得到有效地控制， 燃油区域， 同时保持较高的燃油经济性。
图1 Fig. 1
计算网格Βιβλιοθήκη Computational mesh
之一， 可变气门驱动（ VVA ） 由于其快速的响应时间吸 引了大量的研究者的注意。 通过进气门晚关 （ LIVC ） 可以降低有效压缩比， 避免缸内的过早着火， 因而提高 了热效率并降低了 NO x 的排放。 Helmantel 和 Denbratt［2］通过 Lotus 可变气门系统 测试了几种气门定时策略对柴油 HCCI 发动机燃烧的 影响。试验中采用 5 段喷射， 通过调节进气门关闭定 时和废气再循环 （ EGR ） 率控制燃烧相位。 试验发现， LIVC 可降低泵气损失从而降低燃油消耗 ， 但受缸内敲 VVA 并不能完全代替 EGR。 缸强度的限制， ［ Nevin 等人 3］在一台单缸柴油机加入液压驱动可 探讨了 VVA 在控制重型柴油机中的应 变进气门系统， EGR 率、 用潜力。试验分别探讨了进气门关闭定时、 进气压力、 喷油量、 喷射压力和喷油定时的影响。结果 表明， 对于高转速、 中负荷的工况， 在不加入 EGR 和自 LIVC 可降低 90 ％ 的 NO x 排放。 在保 然吸气的情况下， 持相同 NO x 排放水平的情况，LIVC 减少系统对 EGR 的依赖， 同时降低约 70 ％ 的 CO 和碳烟排放。 He 等 人［4］通 过 完 全 柔 性 的 气 门 驱 动 系 统 实 现 LIVC 对柴油发动机性能和排放的改进 。 试验表明， 当 EGR 率、 进气温度、 混合气当量比保持不变时， 仅通过 LIVC 、 增加进 气 压 力 和 改 变 喷 油 定 时 可 降 低 25 ％ ～ 50 ％ 的 NO x 排放。结合 LIVC 和进气增压可显著减少 碳烟排放， 在部分运行工况下， 减少碳烟排放量高达 95 ％ 。在保持相当 NO x 排放水平的情况， LIVC 可减少 系统中 15 ％ ～ 25 ％ 的 EGR 需求量。 通过利用计算模型， 可更深入理解 VVA 对柴油 HCCI 燃烧的影响。 Lancefield［5］采用一维模型研究了 VVA 提高燃烧经济性的 在轻型柴油机的部分工况下， 。 ， 潜力 结果指出 在可变几何涡轮增压和 EGR 系统的 LIVC 可 降 低 有 效 燃 油 消 耗 率 19 ％ 。 最 近， 辅助下， Yang 和 Keller［6］使用相似的模型计算发现， 耦合 LIVC 和可变几何涡轮增压系统， 通过降低燃烧温度可减少 24 ％ 的 NO x 排放。 Genzale 等人［7］通过多维计算流体力学 （ CFD ） 模 型探讨了 LIVC 在不同负荷和转速工况下， 控制柴油 HCCI 燃烧相位的潜力。 模拟指出， LIVC 可以优化燃 烧相位并增加输出功， 因此有助于 HCCI 燃烧运行于
Numerical Investigation of the Effect of Late Intake Valve Closing on Diesel HCCI Combustion and Emissions
JIA Ming1 ，PENG Zhijun2 ，XIE Maozhao1 ，ZHOU Lei1
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磊
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（ 1. 大连理工大学 能源与动力学院，辽宁 大连 116024 ； 2. Sussex 大学 工程与设计系，布莱顿 BN1 9QT） 摘要： 将包括完整发动机循环的三维计算流体力学（ CFD） 模型与详细反应动力学机理耦合， 研究进气门晚关 （ LIVC） 对柴油均质压燃（ HCCI） 发动机燃烧和排放的影响 。结果发现， 使用 LIVC 可降低有效压缩比， 进而有 效地控制着火点并显著降低氮氧化物（ NO x ） 排放， 由于降低了燃烧温度和缸内缺少氧气， 会增加碳烟、 碳氢 （ HC） 和一氧化碳（ CO） 的排放。为揭示 LIVC 策略降低柴油 HCCI 发动机排放的潜力， 进一步通过在调整进 气门关闭定时的情况下， 研究了进气压力、 废气再循环（ EGR ） 率和喷油定时（ SOI ） 的影响。 计算表明， 通过 LIVC 和增加进气压力可实现 NO x 的超低排放， HC 和 CO 排放， 保持较低的碳烟、 但在运行过程中需要足够的 EGR 量和优化的喷油定时加以辅助 。在部分负荷下， 0. 18 MPa 的进气 通过使用 260° CA 的进气门关闭时刻、 50 ％ 的 EGR 量和 20° CA BTDC 的喷油定时， 压力、 可避免 NO x 和碳烟的排放。 关键词： 均质压燃； 计算流体力学； 可变气门驱动； 进气门晚关 中图分类号： TK401 文献标志码： A
［ 89］ 高负荷范围。Murata 等人 基于当量比温度映射图 和三维 CFD 模型开展了更为详细的研究， 结果表明，
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计算模型
3V［10］， 使用的 CFD 程序为 KIVA为获得更好的 3V 中与流动、 预测结果， 对 KIVA喷雾和燃烧相关的 其中包括湍流模型、 壁面传热模 子程序进行了修改， 型、 液滴的雾化、 碰撞、 碰壁模型和燃烧模型等。 柴油 的燃烧由简化的正庚烷反应机理
引言
柴油均质压燃 （ HCCI ） 发动机可以显著降低氮氧
同时保持与传统柴油发动 化物（ NO x ） 和碳烟的排放， 。 机相当的燃油经济性 由于柴油本身的低挥发性和高 易燃性， 柴油 HCCI 发动机在商用化前需要解决两个
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收稿日期： 2009-10-08 ； 修回日期： 2010-01-22 。 基金项目： 国家基础研究重点规划子课题资助项目（ 2007CB210002 ） ； 国家自然科学基金资助项目（ 50806008 ） 。 mail： jm2020jm@ gmail. com。 作者简介： 贾 明，博士，E-
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机
学
报
第 28 卷第 3 期
［ 1］ 技术障碍： 混合气的制备和燃烧相位的控制 。 作为控制柴油 HCCI 发动机燃烧最具潜力的策略
上述结果均表明 LIVC 可降低未来柴油 HCCI 发 动机的排放并提高其燃油经济性。 但应该注意，目前 尚缺少 LIVC 对 燃 油 混 合 和 燃 烧 过 程 的 研 究。 虽 然 Genzale 等人［7］和 Murata 等人［8-9］利用 CFD 模型开展 了 LIVC 的相关研究， 但模拟中并不包含换气过程， 仅 假定在 IVC 时 刻 缸 内 的 温 度 和 压 力 与 进 气 道 相 同 。 该假定会引起两个问题： 1 ） 在 IVC 关闭前， 由于外流 ［ 4］ 气体流过 进 气 门 时 受 到 流 动 阻 力 ， 缸内气体被压 此时缸内的压力大于气道内压力 ， 使用该假定会导 缩， 致有效压缩比被低估； 2 ） 无法计入由气门运行所引起 缸内的流场的变化， 从而忽略了其进一步对混合和燃 烧过程的影响。 笔者将包括发动机完整循环的三维 CFD 模型和 详细反应动力学机理耦合起来， 研究了在柴油 HCCI 发动机中 LIVC 对 缸 内 混 合 气 形 成 和 燃 烧 过 程 的 影 EGR 率和喷射定时 响。并进一步在不同的进气压力、 （ SOI） 情况下， LIVC 降低发动机排放的潜力。
（ 1. School of Energy and Power Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024 ，China； 2. Department of Engineering and Design，University of Sussex，Brighton BN1 9QT，UK）
第 28 卷 （ 2010 ） 第 3 期
内 燃 机 学 报 Transactions of CSICE
Vol. 28 （ 2010 ） No. 3
文章编号： 1000-0909 （ 2010 ） 03-0199-08
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进气门晚关对柴油 HCCI 燃烧和排放影响的数值模拟
贾
1 2 1 明 ，彭志军 ，解茂昭 ，周
Abstract： A fullcycle threedimensional computational fluid dynamics （ CFD ） model coupled with detailed chemical kinetics was developed to investigate the effect of late intake valve closing （ IVC ） on combustion and emission characteristics in a diesel homogeneous charge compression ignition （ HCCI） engine. Utilization of late IVC provides effective ignition timing controlling and significant reduction of nitrogen oxides （ NO x ） by decreasing effective compression ratio，but it increases soot ，hydrocarbon （ HC） and carbon monoxide （ CO） emissions due to low combustion temperature and lack of oxygen. Parametric studies by varying intake pressure，exhaust gas recirculation （ EGR ） rate and start of injection （ SOI ） timing by changing IVC timing were conducted to explore the potential of late IVC on emission reduction of diesel low NO x while mainHCCI engines. Results show that ，late IVC and boosting intake pressure realize ultratain low soot ，HC and CO emissions if sufficient EGR and optimized SOI timing are set. By retarding IVC 50 ％ EGR and 20°CA BTDC SOI，both NO x timing to 260°CA and employing 0. 18 MPa intake pressure， and soot formation regions can be suppressed under partial engine load. Keywords： Homogeneous charge compression ignition； Computational fluid dynamics； Variable valve actuation； Late intake valve closing