一种用于HCCI发动机燃烧的新的预测多区模型
M. Bissolia , A. Frassoldati a , A. Cuoci a , E. Ranzi a , M. Mehl b , T. Faravelli a,*
a:米兰理工大学 化学化工与材料系 达芬奇广场23号，意大利米兰 20133
b:劳伦斯·利弗摩尔实验室7000 东大街，94550利弗摩尔市，美国加利福利亚州
摘要：本文介绍了一种新型预测多区域模型，用于描述均质混合压燃(HCCI)发动机的燃烧情况。该模型利用现有的OpenSMOKE 计算套件来处理详细的动力学机制，为缸内自动点火过程提供可靠的预测。所有对燃烧性能和排放有显著影响的因素，如湍流、热和质量交换、裂隙、残余燃烧气体、热和燃料分层都被考虑在内。与其他计算方法相比，该模型通过采用合适的湍流模型和从CFD应用中导出的壁面传热模型耦合在一起，提高了混合分层现象的描述。此外，该多区域模型的标定只需要从非反应CFD模拟中得到三个参数：这些自适应变量仅依赖于发动机的几何形状，并在广泛的运转条件下保持固定，允许自动点火、压力跟踪和污染物的预测。这个计算框架允许使用详细的动力学机制，和产量分析(RoPA)和灵敏度分析(SA)来探讨汽车点火和污染物形成过程中复杂的化学反应。在论文的最后部分，通过与实验数据的对比，论证了这些能力。
关键词：HCCI发动机，多区模型，动力学分析
1.引言：
高效低油耗发动机需求的日益增长和日益严格的环境法规正在推动发动机设计新的燃烧策略。在这些策略中，由于在混合物多点同时点燃而没有火焰传播的同时，对均质混合压燃(HCCI)发动机的压缩保证点燃了一种非常稀薄的预混合燃料，从而使其能够使NOx、多环芳烃和碳烟的排放量几乎为零 [12]。这一点与高热效率及高燃烧效率相结合，使得HCCI成为了传统内燃机（IC）发动机的一个很好的替代品，尽管仍有一些问题需要解决[34]。与燃料用火花点燃的传统火花点火发动机不同，同样也与通过燃料喷射时间控制燃烧起点的直喷压燃发动机不同，HCCI发动机的燃烧时间是动态控制的。此外，放热率(HRR)通常比SI和DI发动机中观察到的高得多，因为在SI与DI发动机中燃烧速率取决于火焰传播速度或喷射持续时间。在HCCI发动机中，点火强烈地依赖于燃料质量、阀门关闭的初始条件以及压缩过程中所经历的热力学变化。为了减轻这些缺陷，HCCI的发动机通常在较低的条件下运行，导致部分燃烧产品（如一氧化碳和HC）的排放增加，并降低高负荷极限。然而，HCCI的环境优势在近期的用生物燃料的HCCI发动机的实验中得到进一步强调[56]。
为了解HCCI发动机的可操作性极限，几个研究人员研究了燃料组分、发动机几何形状和缸内条件对发动机性能和排放的影响[7-12]。数学模型也代表了一种非常有用的资源，这要归功于它能够解耦物理现象。计算流体动力学(CFD)工具提供了系统中发生的流动和运输现象的详细描述，采用简化或框架动力学机制来限制已经很高的计算工作量。在光谱的另一端，所谓的“区域模型”依赖于对流体动力学和传输现象的简化描述，以便通过详细的机制来更多地关注化学动力学[13]。科学文献已经证明，HCCI的燃烧主要由化学动力学控制，较少受到流体动力学[14]的影响，并强调有效的预测模型能够处理详细的化学反应，并研究运转条件对发动机性能的影响。由于它们的特性，区域模型有可能达到这些目标。从过去的观点看，区域模型可以分为两大类。“单区”模型将缸内体积视为一个具有时变体积的单一均匀混合反应器[14-16]。这种建模方法的计算成本可以忽略不计，但忽略了局部温度和组分的不均匀性，从而导致了对燃烧持续时间的预测和对压力上升速率(PRR)的过度预测[16]。“多区域”模型的目的是克服这些限制，将气缸体积分成几个称为区域的域，每一个区域作为一个混合的反应堆，其自身的动力是温度和组成。文献中所报道的所有多区域模型都基于这些假设，主要在这些区域相互作用的方式上有所不同。
“气球型”多区域模型认为该区域是可变形的、固定质量的控制体积。区域内的热量和/或质量通量通常被忽略，而温度分层则是通过与壁面不同的区域交换水平来解释的。利用经验相关性计算总热量损失[17-19]，在每个模拟步骤中，对整个域的压力是一致的。Andreatta[20]开发了第一种“气球式”模型，即在给定的速率下的区域交换质量和与气缸壁的交换热量是在温度基础上而不是在平均壁面温度上，总热通量通过Woschni[17]相关性来计算。Easley等[21]采用了允许大规模交换的模型(内部核除外)来保持均匀的压力的条件下去描述了HCCI在裂隙、边界层、外部和内部(绝热)核心区域的燃烧情况。野田佳彦和福斯特[22]将注意力集中在控制氢燃料HCCI发动机燃烧持续时间的策略上。他们的模型表明，燃烧持续时间受热分层的影响更大，而非燃料分层。5 -land和Assanis[23]开发了一种双区域模型，Ogink和Golovitchev[24]也开发了类似于Easley的模型，但与一个循环仿真软件相结合。Xu等[25]强调了多区域方法与单一区域方法相比的优势。Orlandini等[26]也开发了一种气球型模型。Kodavasal等[27]开发了一种气球型多区域模型，在该模型中，区域之间不会相互交换质量或热量，而是根据CFD计算得出的权重来与气缸壁交换热量。Mehl等[28]开发了一种多区域模型，该模型基于与气缸壁和绝热核心的热相互作用中所涉及的边界层的概念。为了提供温度、压力、内部EGR和化学成分的正确边界条件，在1-D模拟的基础上估算了初始条件。Kozarac等[29]开发了一个六区域模型，在此模型中，一个一维循环模拟软件提供了一致的初始和边界条件来进行估计。“洋葱皮”模型将反应体积离散成同心缸体，假设在自动点火前的热分层主要由与壁面的热交换控制。在简化湍流子模型的基础上，并没有明确地解决传输方程，也没有对相邻区域的热和质量进行交换。只有外部和裂隙(如果存在)区域与气缸壁交换热量。Komninos 等[30]建立了基于恒定厚度区域的洋葱式模型，在此基础上用[18]相关性对热损失进行了评价。在最近的一份出版物中，Komninos和Kosmadakis[31]基于区域温度而不是平均汽缸温度实现了一种自定义传热模型。Kongsereeparp和Checkel[32]和Guo等人[33]也开发了类似的洋葱皮模型。
另一种可能的方法是基于概率密度函数(PDFs)的多区域建模，该系统在复合空间中而不是物理空间中解决。Kraft等[34]和Maigaard等[35]给出了这种方法的一些例子。Pitsch等[36]也使用具有代表性的交互式火焰[36]开发了一种基于pdf的模型[1]。
多区域模型也可与CFD建模相结合。为了初始化在发动机循环的其余部分采用的化学动力学描述的气球式多区域模型的区域。Aceves等[37-39]和Babajimopoulos等[40]利用CFD去定义一个压缩冲程期间确却的点的热分层现象。
Flowers等[41]，Shi等[42]，Felsch等[43]，Kodavasal等[44]和Felsch等[45]进一步致力于将多区域概念应用于HCCI建模。
需要注意的是，前面提到的多区域模型中，大多数都使用经验关联来预测与边界的热交换，而这些数据与HCCI运行无关[46]。
本文的主要目的是通过使用详细的化学动力学并考虑与这些方面产生重大影响的所有元素(如湍流、热量和质量交换,裂隙,残余气体,燃烧热和饲料分层)来提供一个预测工具能够研究运行条件对HCCI燃烧性能和排放的影响。从CFD应用中导出的新型缸体传热模型，再加上适当的湍流模型，可以描述边界相互作用和缸内流体运动的混合分层。处理详细的动力学机制的能力能计算可预测的燃料化学和污染物的形成。最后，采用先进的动力学工具如生产分析(RoPA)和灵敏度分析(SA)来研究复杂的化学控制，控制不同运行条件下的自燃机理和污染物的形成。
- 多区域模型
这里的模型遵循“Onion-skin”的方法，代表了Bissoli等[47]人的早先版本的进一步发展。由于重点是燃烧，所以只描述四冲程循环的压缩和膨胀阶段。该模型忽略了阀门的动力学效应，同时考虑了气体的流向和裂隙的影响。仿真周期从进气阀关闭(IVC)开始，到排气阀门开启(EVO)结束。在整个模拟过程中，模型描述了相邻区域间的化学过程、热量和质量交换，并在单层和多区结构中工作。相邻的区域可以通过工作、热量和在界面上的质量扩散(层流和紊流)相互作用。如果用户要求多个仿真周期，在假设在钢瓶中剩余的RBG与新的电荷之间存在一个完整的绝热混合后，一个子模型在排气阶段后对剩余燃烧气体(RBG)的特性进行评估，并对新循环的一致初始条件进行评估。该模型易于管理详细的动力学机制并允许通过生产速率(ROPA)和灵敏度分析(SA)进行动力学研究，以确定不同发动机参数(即压缩比、发动机转速、热交换)对控制自动点火和导致污染物形成的路径的影响。
数学公式来源于不同的假设。首先，缸内混合物被描述为理想气体。除了裂隙外，缸内压力是均匀的。通过将各区域考虑为具有时变体积和均匀温度和组成的理想反应器，实现了缸内容积的空间离散化。裂隙被描述为一个恒定体积的变质量区域，其特征是相对于其他子域有一个小的压差。这种压差定义了在裂隙/外部区域界面上的质量流量。外部区域和裂隙也负责了和气缸壁和活塞头部的相互作用。区域内的质量和热交换的夹杂物改善了对HCCI燃烧的描述，允许在充量中进行热和成分的分层。事实上，由于缺乏能够调节点火时间的外部设备，使得分层在控制燃烧过程中非常重要。初始的缸内温度和组成分布可根据预设分布设定为均匀或不均匀(见4.1.5)。
2.1几何和区域配置
如上所述，区域配置遵循洋葱式结构(图1)。可以使用相同的体积来初始化区域，或者为每个区域指定不同的体积。裂隙区是根据发动机的几何形状来定义的。
图1.在当前模型中采用的区域配置。
内部区域被识别为核心，而裂隙被建模为一个具有等效表面/体积比的环包裂隙，以保持原有的冷却效果。从典型的活塞运动定律[48]中得到了总缸内体积Vcyl的时间变化:
theta;是曲柄转角，C是压缩比，LC/LA是连杆长度与曲柄臂半径之比。每一区域的几何形状在其体积变化的任意时刻进行评估，假设其直径与高度之间的比值beta;为常数，等于气缸直径与瞬时气缸高度的比值:
因此，所有的区域都有相同的形状，但是它们的厚度在进行周期变化。公式(2)提供第k区区域的瞬时高度，其直径可计算为:
2.2模型方程
每个区域的质量通过求解以下的平衡方程得到:
其中mkin和mkout代表质量通量进入并离开裂隙引起的第k区区域(见第2.6节)。
同样地，每个区域的组成都由种类平衡方程来评价:
Ji，k表示i到第k区的净扩散通量，包括层流和湍流:
是在第k区界面上第i种的质量分数梯度(图1)。层流混合平均的摩尔基扩散系数是由气体的动力学理论计算的，通过适当地平均混合组分的二元扩散系数[49]。湍流扩散系数对同一区域内的所有种类都是相同的，用湍流的粘度mu;T进行评价:
mu;T从第2.3节中描述的子模型得到。
通过求解能量平衡，对第k区温度进行评价:
与邻近区域的热量交换Ｑk，cond，相似于质量扩散，计算每个界面如下:
对于质量扩散系数，利用适当的混合平均规则[50]计算了区域的层流热导率。同样，紊流贡献与湍流粘度的函数关系:
最后，除了最外部区域与裂隙区域，其余所有区域的Qk，wall均为0，本次评价所采用的模型将在第2.4节中详细讨论。公式（1）描述了缸内总容积的变化率与时间的函数，但没有给出关于单个区域体积变化速率的信息。为了评估这一点，引入了一个新的变量G[51]，它可以被看作是一种压力加权累积量: 全文共33100字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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