GRI机械- 3.0 ( 30.]描述了化学动力学机理,甲烷燃烧氧化反应,包括53物质和325基本反应,如c1连锁反应,N的化学反应,也没有_x形成反应,这已被大量的验证实验和广泛用于碳氢燃料的仿真研究。因为本文研究了均匀压缩点火特性下的二元混合燃料NVO策略,专注于prereaction温度和成分的浓度,最初的机制是简化和改革。的基础上添加氢机制、灵敏度分析方法用于挑选与高灵敏度基本反应和物质的初始温度和浓度反应,,然后,反应变差系数法( 31日)是用于优化阿仑尼乌斯方程的参数影响化学反应速率。 (1) k = 一个 T b e − E / R T , 在哪里 k 是反应速率常数, 一个 是preexponential因素, T 是反应温度, b 温度指数, E 是反应活化能, R 是一般的气体常数。主要优化对象 一个 , b , E 。简化后,引入燃烧机理和热力学数据模型。成分的计算是基于化学反应动力学过程和燃料物理参数的定义。 (2) d Y 我 d t = ω 我 米 我 ρ , 在下标 我 代表的组件 我 th物质, Y 质量分数, ω ̇ 化学反应速率取决于 k , 米 摩尔质量, ρ 的总质量比混合系统的体积。定义氢气体积分数: (3) β H 2 = V H 2 V H 2 + V 天然气 。 结合物理参数的混合燃料、混合燃料的摩尔质量以固定比率可以计算 (4) 米 F = 16 − 14 β H 2 。 混合物的化学计量空燃比 (5) l 0 F = l 0 H 2 2 β H 2 米 F + l 0 C H 4 1 − 2 β H 2 米 F , 在哪里 l 0 H 2 和 l 0 C H 4 两种燃料的化学计量空燃比,分别。上述公式形式解决材料组成的基础。

零维单区燃烧模型认为,温度,压力,和组件的缸内指控是均匀分布的,这符合均匀预拌HCCI燃烧的条件。模型提供了温度输入的反应机制,从而计算各种燃烧过程参数。假设理想气体混合物,和工作流体在一个密封的状态没有泄漏损失。燃烧放热率的解决方案是基于热力学第一定律的能量守恒方程: (6) d 米 e d t + p d V d t = ∑ 米 ̇ 我 h 我 − δ 问 W d t , 在下标 我 代表的组件 我 th物质, e 具体工作流体的热力学能量, p 缸内压力, V 气缸的工作容积, 米 ̇ 是物质的质量流率的圆柱, h 比焓, 问 W 从工作流体传热的数量到气缸壁,这是由传热模型: (7) δ 问 W d t = T − T W 年代 t z , 在哪里 T W 气缸壁的平均温度, 年代 t 是有效传热面积, z 传热系数。加上能量方程、传热子模型提供了计算温度场的边界条件,如缸壁温度、缸温度分布,和热流分布,反映了工作流体的传热和热损失燃烧室壁。对于均匀零维压缩点火模型, z 是被广泛接受的Woschni相关( 19, 32]: (8) z = 0.1298 D − 0.2 p 0.8 T − 0.53 v 0.8 , 在哪里 D 气缸直径和吗 v 是代表的特征速度统计平均运动特征的物质缸: (9) v = C 1 v 米 + C 2 V 年代 T j p j V j p − p 米 t , 在哪里 v 米 活塞的平均速度, V 年代 是气缸的工作容积,参数和下标吗 j 代表工作流体的状态在任何时候从进气阀的关闭时间开始燃烧, p 米 t 发动机阻力的压力, C 1 是0.28, C 2 在压缩冲程和是0 3.34 × 10 − 3 在动力冲程。温度变化所表达的是在燃烧持续时间 (10) d T d t = 1 / ρ ∑ e 我 ω 我 米 我 + R T / V 年代 米 h d V / d t ∑ Y 我 C v 我 , 在下标 我 是 我 物质成分, 米 h 混合物的平均摩尔质量, C v 是在恒压比热容。这个公式和公式( 2)可以被看作是一个一阶非线性方程组 我 + 1 未知数。

汽缸容积的变化随着时间的推移可以从几何关系获得: (11) V t = V C + π D 2 l 一个 4 R + 1 − 因为 θ − R 2 − 罪 2 θ , 在哪里 V C 燃烧室的体积, l 一个 曲柄长度, R 曲柄连杆的长度比例,然后呢 θ 曲柄角。在模拟,清除量的变化率是经常使用。 (12) d V t / V C d t = ε − 1 罪 θ 2 1 + 因为 θ R 2 − 罪 2 θ d θ d t , 在哪里 ε 压缩比。结合上述方程、燃烧模型、传热模型和几何模型是综合使用结合反应机理和物理性质参数数据;然后,燃烧动态过程的参数值描述汽缸的发动机在任何时候可以获得给定的初始条件下的压力,温度,和各种材料的初始浓度组件。

在每一个周期中,燃烧动态过程是受气体变化的影响过程。EGR率是一个重要的参数连接两个过程;EGR率计算的传统方法是通过测量有限公司₂集中在压缩行程和排气行程后排气管,不适合描述内部EGR的效果由NVO策略。根据燃烧反应方程,通过仿真获得的数据,化学计量条件下EGR率理论上是派生的。假定燃料完全燃烧,气缸的气体均匀混合,阀门开启和关闭不影响阀门的响应延迟火车和内外筒之间的压力差。 (13) ϕ E = 米 r ′ 米 r ′ + 米 h , 在哪里 米 h 是混合物的质量冲进缸进气门关闭,后 米 r ′ 的质量是残余废气后的缸排气阀关闭。很明显, 米 r ′ 是由前一个周期的燃烧过程和排气阀的关闭时间。 (14) 米 r ′ = p EVC V EVC R T EVC 1 + γ O 2 y + 4 28 + 8 γ O 2 y + 64年 γ O 2 + 112年 , 的参数与下标EVC表明缸内的状态工作流体在排气阀的关闭时间, γ O 2 空气中氧气的体积分数,然后呢 y 被定义为氢原子的碳原子的摩尔比混合燃料,它具有一定的相关性 β H 2 。 米 r ′ 和随后的进气过程共同影响的价值 米 h 。 (15) 米 h = p 印度河流域文明 T 印度河流域文明 R T 印度河流域文明 − p EVC T EVC R T EVC 米 一个 1 + l 0 F 米 F 米 一个 + l 0 F 米 F , 参数与下标的印度河流域文明表示状态的缸内工作流体在进气门的关闭时间 米 一个 是空气的摩尔质量价值。其他参数这个公式给出的公式( 4)和公式( 5)。

数据 5- - - - - - 11显示的影响改变的时机关闭排气阀(EVC)发动机的燃烧和排放特性,同时保持开放的排气阀(EVO),打开进气阀(伊),关闭进气阀(IVC)和气门升程不变。一组阀升程曲线得到每15°CA之前TDC的气体交换过程。1的初始模拟条件是等价的比率,发动机转速为1000 rpm,摄入量400 K温度,进气压力为0.1 MPa,氢气体积分数为5%,和燃料的质量流率6.5 g / s。因为伊保持在15°TDC之前,在当前战略形成的负面重叠角是0 - 75°。

从图可以看出 5EVC时间的推进,EGR率增加。这是因为排气阀关闭,越早越少废气从排气排放管道和汽缸的拦截更多的废气。EGR率增加了19.47从15°- 90°。图 6显示充电效率的增加与减少EVC进步的,这是因为,尽管伊不变,越废气仍在缸由于先进EVC,气缸之间的压力差和进气阀的喉咙时,进气阀打开与原来的相比是更小的发动机没有苛刻,因此阻碍了充电新鲜的混合物。同时,新的空气的加热废气会导致减少在进气状态,空气密度和气体实际上进入汽缸略有减少。此外,由于活塞仍然是在伊上行运动阶段,自然吸气引擎,可能会有一定程度的汽缸适得其反,早期EVC,适得其反的现象越严重,这将进一步减少新鲜空气填充汽缸。当排气阀关闭提前15°- 90°,充电效率降低了26.15%。

从数据可以看出 7和 8EVC的提前,燃烧压力和温度降低。这是因为EGR率随EVC的进步,和新的天然气的稀释程度增加废气也增加,从而增加发动机的输出功率损失。从15°- 90°,最大压力和温度下降了18.2%和17.4%,表明EVC的推进程度有很大的影响。达到的最高压力和温度的时间略早,这表明改善燃烧过程增加时,排气阀关闭。

从数据可以看出 9和 10EVC时间的推进,最大压力上升速率和热释放速率逐渐降低。这种变化的主要原因如下:EVC早些时候,较大的NVO角度,废气,和EGR率就越高。因为废气与高比热容和低氧含量稀释和冷却效果,气缸的最高温度降低,从而减缓气缸中的燃烧反应速率,减少压力上升速率,使燃烧更加稳定,这有利于削弱的工作现象(一般HCCI发动机中的一个常见特征)和减少敲门趋势,工作组件的热负荷,整个机器的振动和噪音。

图 11表明随着时间EVC的进步,没有_x排放相对减少。从上述分析,可以看出,稀释的废气减少了充电效率和氧浓度的混合物;此外,废气的热释放速率减慢,降低最高温度。根据不的形成机制_x,富氧和高温的有利条件;因此,没有_x排放减少。在以后的阶段,温度随活塞向下运动,所以没有的总量_x形成不再上升,往往是稳定的。

数据 12- - - - - - 18显示,伊时间变化对发动机燃烧和排放的影响,同时保持EVO, EVC,印度河流域文明,气门升程不变。一组阀升程曲线得到每15°CA进气阀后延迟上死点的气体交换过程,模拟的初始条件保持不变。因为EVC保持在15°后TDC NVO角,可以形成在当前的策略是0 - 75°,但其负重叠面积之后,而计划部分的面积 4.1在TDC。从数据可以看出 12和 13伊的EGR率增加而延迟,并相应地充电效率呈下降趋势。这是因为后,进气阀打开,启动更少的新鲜空气进入气缸。虽然残余废气在缸保持一个固定的数量由于固定EVC时机,新鲜的空气数量下降的影响程度的活塞。后,进气阀打开,实际摄入量持续时间越短。从15°- 90°,进气阀推迟开通,EGR率增加了10.06,而充电效率降低了17.51%。总的来说,当IVO改变EGR率的增强和减弱的充电效率比单独改变EVC略小。这表明尽管残余废气在当前计划是有限的,新鲜的气体也减少,和新旧的整体相对浓度气体根据这两个计划相似。

从数据可以看出 14和 15高峰值的缸内压力和温度逐渐降低,以及达到的阶段的峰值略有先进推迟伊。从15°- 90°,气缸的压力峰值下降了9.2%,最高温度下降了9.7%。与EVC方案相比,在相同的NVO角,IVO单独改变时,峰值压力和温度的降低。这是因为固定EVC时机使废气拦截在气缸的数量保持不变,废气的增量比例相对较小,功率损耗是更少。

也可以看到,当IVO改变燃料的点火时间也变化,这种效应可以用参考数据进行分析 16和 17。伊的延迟时间,压力上升速率和燃烧热释放速率逐渐降低,但点火阶段先进;这是因为新鲜空气量的减少造成的延迟关闭进气阀;在同样的残余废气量,平均加热新鲜空气而不是程度增强,和图 15也表明,燃烧温度起点的增加延迟进气阀打开,这有利于HCCI的进步。计划的改变EVC,废气加热的贡献只是反映在相对应的推进燃烧峰值压力和燃烧温度;因此,伊战略变化的影响主要反映在燃烧起始点的变化,它可以进一步判断,燃烧起始点的主要影响因素是新鲜空气量而不是EGR率,因为当改变EVC单独,IVO保持不变,但比TDC早打开和新鲜的空气数量普遍高于单独改变IVO策略;虽然大量的废气仍大,加热新的天然气的平均程度是不够的。然而,当伊是单独改变,尽管大量的废气减少由于原发动机排气阀阶段,新鲜气体的数量也减少,这使得它更容易被加热废气的有限,以及早期点火的影响更加明显。上述比较表明,尽管进气空气的加热效果受到EGR率的影响,更敏感的新鲜空气。从EGR率的变化可以看出,尽管EGR率的范围可以通过改变通过改变EVC分别大于IVO单独增加新鲜空气使它更难甚至热废气排气率条件下的相似。

图 18显示,没有_x排放减少IVO时机的延误。这是因为废气减少了氧浓度的稀释汽缸,同时,废气减缓热释放率,降低了燃烧的最高温度,抑制了富氧高温条件。与单独EVC时间变化相比,因为排气阀保持原来的引擎阶段,废气的量不多,和EGR率的增加,降低温度,压力,和热释放率并不多,所以没有_x发射并没有太大的改善。

如果提前角EVC增加到一定程度,EGR技术先进的点火时间的影响不明显,这可能会导致HCCI的失败,而当伊推迟,EGR率并没有改变多少,减少氮氧化物的燃烧温度和改善不明显。为提高点火和实现更好的EGR率,考虑结合两个方案,这意味着同时改变伊和EVC。数据 19- - - - - - 25显示的效果改变EVC和伊发动机燃烧和排放特性,同时保持EVO,印度河流域文明,气门升程不变。进气阀被延迟打开早些时候当排气阀关闭。其他初始条件不变,NVO角,可以形成在当前的策略是30°-180°。因为角度的区间值改变对TDC是对称的,这种策略也称为对称NVO策略。

数据 19和 20.显示EGR率增加47.92,和充电效率降低了50.77%。可以看出对称NVO策略可以产生更大的EGR率,因为越早排气阀关闭,废气被拦截,而后来进气阀打开,新鲜混合气体可能越少,和充电效率的损失将大于当EVC或伊单独改变。此外,EVC单独改变时,内外筒之间的压力差造成的废气被早期的排气阀关闭,导致适得其反的现象,在此方案中可以有效地避免由于摄入空气延迟开放和活塞向下的。与伊策略相比,平均加热新鲜空气也更好的影响有限,因为前面排气阀关闭。

与对称NVO角的增加,最大压力和温度下降了29.2%和20.7%,分别。减少大于IVO或EVC个人变化。压力上升速率和热释放率与对称NVO角的增加明显降低。因为热释放速率主要受EGR率的变化,和EGR率的范围由对称NVO较大,燃烧反应也大大放松,减缓热释放也会导致压力上升速率降低,这有利于降低发动机转速和转矩的变化,防止爆震的可能性,并使发动机工作更顺利。同时改变进气和排气气门正时对燃料点火时间有显著影响。NVO角越大,燃料点火提前就越大,温度在点火之前由排气加热相应增强。这是因为随着NVO角的增加,大量的废气在缸增加但的新鲜空气量减少。废气在新鲜空气的加热效果优于单独改变伊战略与固定废气量同时摄入推迟开放程度也比单独改变EVC策略更多的新鲜空气量在同一排先进关闭程度。然而,当NVO角度太大,例如,当先进EVC和延迟伊角大于75°,混合燃料过度先进释放热量在上死点之前,使权力过程熊压缩负功的一部分损失,减少了体积恒定加热程度,所以应该避免。

图 25显示不对称NVO的影响_x发射。可以看出,EVC的进步和伊的延迟,没有_x产量显著降低。从上面的分析,最重要的因素影响_x最高温度,因为对称NVO策略可以实现更大的EGR率,和最大减少更大。减少燃烧速度也没有_x生产速度慢,最终导致大幅减少_x生产。