梯级引燃HCCI燃烧模式的提出和机理研究

This application proposes a new concept of "cascade ignition HCCI combustion": the spark ignites the high temperature lean mixture of a glow plug surface, forms an original fireball, which ignition the space cold lean mixture, and finally triggers HCCI combustion. This combustion mode integrates the advantages of spark assisted HCCI (SACI) and glow plug assisted HCCI(GACI). It can realize the direct control of the combustion process of the lean homogeneous mixture in a wide working condition. The advantages are as follows: (1) Combustion timing and combustion rate are controlled independently to realize the combustion process optimization; ② at misfire tendency conditions, the use of "Spark-Glow Plug" forced ignition and achieve a stable combustion, so that the situation expand to small load; ③ at knock tendency conditions, by reducing the intake air temperature, increase EGR rate and other indirect ways to delay the HCCI combustion time and decrease the combustion rate, reduce the tendency of knock, so that the situation can be expanded to large load. By using three-dimensional digital model simulation, analytic solution model simulation, in-cylinder pressure analysis, high-speed image photography and chromatographic analysis, the feasibility of the combustion mode will be verified, and the mechanism and influencing factors will be studied, the working range and Economic, dynamical and emissions potential will be evaluated, and the control strategy will also be developed. The main significance of this research project is: To achieve the expanding of running condition, while completely inheriting the "homogeneous & low temperature" combustion characteristics.

本申请提出了“梯级引燃HCCI燃烧”的新概念：火花先点燃电热塞表面的高温稀薄混合气，形成原始火球，再引燃空间的“冷”稀薄混合气，最终触发HCCI燃烧。该模式集成火花助燃、电热塞助燃的优点，可在宽广的工况范围内实现对稀薄均质混合气燃烧过程的直接控制，优势有：①燃烧相位、燃烧速率独立控制，可实现燃烧过程优化；②有失火倾向的工况，可利用“火热塞”强制引燃并实现稳定燃烧，使工况向小负荷拓展；③有爆震倾向的工况，可通过降低进气温度，增大EGR率等间接手段，推迟HCCI的发生时刻，抑制放热速率，减少爆震倾向，使工况向大负荷拓展。拟采用三维数值模型仿真、解析解模型仿真、示功图分析、高速纹影摄影、色谱分析等手段，检验该燃烧模式的可行性，探究其产生机理和影响因素，确定工况范围，评估经济性、动力性和排放方面的潜力，制定控制参数策略。本研究主要意义在于：在完全继承“均质、低温”特征的前提下，解决了工况拓展难题

面对HCCI燃烧模式工况范围狭窄问题，本研究通过梯级引燃HCCI，即两级助燃均质压燃(Two-stage Assisted Compression Ignition，简称 TACI)，来直接控制燃烧相位和调控放热速率，实现了工况拓展。研究结果可以为HCCI燃烧模式的进步和成熟提供原理性指导。本研究完全遵循了现代内燃机燃烧理论“均质、低温”的特征，因此可以全部保留超低排放的优势。本研究针对TACI燃烧过程的特点，通过在一台液压自由活塞发动机进行了TACI实验，同时建立的详细化学反应动力学三维仿真模型进行模拟。项目开展以来所进行的研究工作及取得的研究成果主要包括：.(1)对梯级引燃HCCI燃烧过程及机理的研究，结果表明，适合TACI燃烧模式的压缩比范围比电热塞助燃HCCI燃烧模式更大，该燃烧模式对点火相位控制的稳定性和灵活性较电热塞助燃HCCI燃烧模式更高；在TACI燃烧模式中，电热塞温度较低时，放热过程主要由火花塞点火时刻控制；电热塞温度较高时，放热过程主要由电热塞控制。 .(2)研究了控制参数(点火相位、电热塞功率)和运行参数(缸内初始温度、压缩比和当量比)对TACI燃烧过程的影响。研究结果表明：甲醇燃料的TACI燃烧模式在低压缩比下表现为典型的火花点火(Spark Ignition，简称 SI) 燃烧特性，在较高压缩比下呈现出先缓后急的两阶段放热特性。相比火花助燃HCCI(Spark Assisted Compression Ignition，简称 SACI)，实现TACI的压缩比更低，许用压缩比范围更宽；相比电热塞助燃HCCI(Glow-plug Assisted Compression Ignition，简称 GACI)，TACI的电热塞电功率更低，燃烧相位的控制更加稳定、直接和灵活。适合TACI燃烧模式的甲醇混合气浓度范围是：0.6<Φ<0.8。当混合气较浓(Φ>0.8)时，可采用SI的方式，当混合气很稀(Φ<0.6)时，可采用GACI的方式。.(3)通过CFD软件构建详细化学反应动力学TACI的三维仿真模型，进一步对比了SI、TACI和GACI三种燃烧方式的缸内火焰扩展的过程，仿真计算结果表明：相比SI燃烧，TACI因为电热塞的热效应有助于加速前期的火焰扩展，前期的放热会进一步促进外围混合气发生自燃着火。