摘 要

反应活性控制压缩燃烧（Reactivity Control Compression Ignition，RCCI）是一种新型的低温燃烧（Low Temperature Combustion，LTC）模式。RCCI发动机中采用双燃料喷射系统，能够及时调整燃料比例，并且RCCI发动机中引入的预混合燃料为高反应活性的燃料。研究发现RCCI燃烧具有低NO_x，碳烟排放的优点，且能够解决燃烧控制难，负荷适应性差等问题。相比柴油燃料，天然气储藏量丰富，燃烧过程中产生的二氧化碳与碳烟较少。另外，天然气具有抗爆震性的优点，提升了发动机的缸内燃烧的稳定性。因此柴油-天然气RCCI发动机近年来已成为内燃机领域的研究热点。

为了探究喷油策略与活塞结构对柴油-天然气RCCI发动机的影响，本文选取了喷雾夹角（110 °，120 °，130 °，140 °，150 °），挤流区高度（0.56 mm，2.56 mm，4.56 mm，6.56 mm，8.56 mm）和喉口直径（65.29 mm，67.29 mm，69.29 mm，71.29 mm，73.29 mm）三个参数进行研究。本文利用SolidWorks软件进行模型修改，CONVERGE软件进行模拟计算，Ensight软件进行分析对比，探究了上述参数对柴油-天然气RCCI发动机的着火特性，燃烧特性以及排放特性的影响。随着挤流区高度的增加，凹坑区域内的燃烧区域先增大再减小，缸内压力峰值呈现先升高后降低的趋势，NO分布区域明显减小，碳烟的排放量整体呈下降趋势。随着喉口直径的增大凹坑燃烧区域逐渐减小，且燃烧存在一定的延迟，缸内压力峰值呈现先降低后升高的趋势，NO分布区域先扩大再缩小，碳烟的排放量先增大后减少。随着喷雾夹角的增大凹坑区域的燃油分布上移，NO分布区域呈现先缩小再扩大的趋势，碳烟的排放量先增多后减少。

关键词：反应活性控制压燃；喷雾夹角；挤流区高度；喉口直径

Abstract

Reactive control compression ignition (RCCI) is a new low temperature combustion (LTC) mode. The dual fuel injection system is used in RCCI engine, which can adjust the fuel proportion in time, and the premixed fuel is high reactive fuel. It is found that RCCI combustion has the advantages of low NOx and soot emission, and it can solve the problems of difficult combustion control and poor load adaptability. In addition, after years of exploration, researchers have found that natural gas has many advantages over diesel, such as rich natural gas reserves, less carbon dioxide and soot produced in the combustion process than fossil energy such as diesel. In addition, natural gas has the advantages of anti knock, which improves the combustion stability of the engine. Therefore, the diesel natural gas RCCI engine has become a research hotspot in the field of internal combustion engine in recent years.

In order to explore the influence of fuel injection strategy and piston structure on diesel natural gas RCCI engine, the spray angle(110 °, 120 °, 130 °, 140 °, 150 °), the squeeze height (0.56 mm, 2.56 mm, 4.56 mm, 6.56 mm, 8.56 mm) and throat diameter (65.29 mm, 67.29 mm, 69.29 mm, 71.29 mm, 73.29 mm)were studied. In this paper, SolidWorks software is used to modify the model, CONVERGE software is used to simulate the calculation, and Ensight software is used to analyze and compare the above parameters to explore the impact of the ignition characteristics, combustion characteristics and emission characteristics of the diesel natural gas RCCI engine. It is found that the fuel distribution, combustion area and pollutant generation in the cylinder vary with the above parameters in stages. For example, with the increase of the squeeze height, the combustion area in the pit area first increases and then decreases, the peak pressure in the cylinder first increases and then decreases, the no distribution area obviously decreases, and the soot generation overall decreases. With the increase of throat diameter, the combustion area in the pit area decreases gradually, and there is a certain delay in combustion. The peak pressure in the cylinder decreases first and then increases, the no distribution area expands first and then decreases, and the carbon smoke production as a whole increases first and then decreases. With the increase of spray angle, the fuel distribution in the pits increases, and the area of NO distribution decreases first and then expands. The amount of soot increases first and then decreases.

Key Words: RCCI；spray angle；squeeze height； throat diameter

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 柴油-天然气RCCI发动机研究现状 2

1.3 本文研究内容与目的 4

第2章 柴油-天然气RCCI数值计算模型的建立与验证 5

2.1 三维数学模型基础 5

2.1.1 基本控制方程组 5

2.1.2 喷雾模型 6

2.1.3 燃烧模型 8

2.1.4 排放模型 8

2.2 原型机的基本参数 8

2.3数值计算模型的验证 9

第3章 柴油-天然气RCCI发动机工作过程模拟 11

3.1 挤流区高度对RCCI发动机燃烧与排放的影响 11

3.1.1 着火特性分析 11

3.1.2 燃烧特性分析 13

3.1.3 排放特性分析 15

3.2.2 燃烧特性分析 19

3.2.3 排放特性分析 20

3.3 喷雾夹角对RCCI发动机燃烧与排放的影响 22

3.3.1 着火特性分析 23

3.3.2 燃烧特性分析 24

3.3.3 排放特性分析 26

第4章 全文总结及展望 28

4.1 全文总结 28

4.2 工作展望 29

参考文献 30

致 谢 32

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着社会与科学技术的发展，人们生活的各个方面相比以前都更加方便得多。在交通方面，将燃料的化学能转化为前进动力的内燃机的应用成为主流，使用这一技术的火车，汽车，轮船已经成为人们出行的主要方式，这极大地提高了人们的出行效率。

但柴油机也存在一些不足。由于内燃机的大量使用，使得能源危机不断加剧，这是因为内燃机的大量使用会带来巨大的能源消耗。经调查表明，石油作为不可再生能源，其用于柴油机燃烧的消耗量为每年数亿吨。以目前的消耗速度和已探明的储量，石油将未来数十年内枯竭^[1]。另外，内燃机的使用也导致了严重的环境污染问题，燃料燃烧以及不完全燃烧过程中产生诸如NO_x，PM，HC等污染物，危害人类健康。柴油和汽油发动机的废气被认为是导致全球变暖的空气污染和温室气体排放的主要原因之一。国际相关组织为了控制污染物排放，缓解环境污染问题，颁布了各项防止造成大气污染规则，且相关排放法规日益严格。因此，为满足苛刻的排放法规，必须探索清洁燃烧方式，减少污染物排放。

近年来，国内外相关人员都致力于研究发动机高效清洁燃烧技术，以解决能源短缺和环境污染的问题。在长时间的研究中人们发现，天然气相比于柴油具有诸多优点。从燃料来源方面看，目前全球已探明的天然气储藏量丰富，可供使用超过100余年。其次，天然气作为一种清洁能源，燃烧过程中产生的二氧化碳与碳烟少于柴油等化石能源。另外，由于天然气具有抗爆震性的优点，提升了发动机的缸内燃烧的稳定性。因此天然气发动机近年来已成为内燃机领域的研究热点。