予混合気の自己着火燃焼制御における不均質性寄与度の定量的評価手法に関する研究

预混物自燃燃烧控制非均质性贡献定量评价方法研究

• 批准号: 18760140
• 负责人: 山崎 由大
• 金额: $ 1.98万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2006
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2006 至 2007
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18760140/
• 关键词: 熱工学; 内燃機関; 燃焼; 予混合気; 不均質

HCCI機関等に見られる予混合気の自己着火燃焼は, 高い化学反応依存性を示す一方で, 燃焼室内に存在する燃料濃度, 温度の不均質性にも影響される。実験的にこれらの影響を詳細に把握することは困難であり, また, その影響を定量的に評価する手法はない。そこで, 数値計算によりこれらの不均質性が予混合気の着火および燃焼に及ぼす影響を解析し, 定量的に評価する手法を提案することを目的に研究を行った。市販のCFDコードを用いて, メタンの詳細な化学反応過程を考慮(反応数58, 化学種数17)して計算を行った。レシプロエンジンの燃焼室内を模擬した円柱形状(総メッシュ数3520)を対象に, この場を3つの領域に分割し, 温度, 濃度を任意に設定できる計算モデルを構築し, まず一定体積で計算を行った。しかしながら, 体積不変条件でさえ計算に要する時間は1条件で1週間程度を要し, ピストン運動で領域体積が変化する場の計算には不向きと判断し, マルチゾーンモデルに変更し, レシプロエンジンのピストン往復運動を模擬した状態で, 燃料濃度, 温度の不均質性の影響を調査した。このモデルでは, 燃料および温度の領域を体積比可変で2分割して計算した。投入熱量が同じ条件では, 2つの領域の燃料濃度(当量比)が変化すると, 着火時期はあまり影響を受けないが、その後の熱発生は大きく変化し, 当量比の分散が大きくなるにつれ燃焼期間は長くなり, その関係は1次線形であることが分かった。また, 温度の不均質性の影響については, 温度の標準偏差が大きくなるにつれ, 着火時期は1次線形で早期化したが, 燃焼期間は温度の標準偏差, 分散が変化してもほぼ一定となった。燃焼室内の燃料および温度の不均質性による予混合気の自己着火時期および燃焼期間の制御可能性を示すと共に, 温度の標準偏差と着火時期の指標に, 当量比の分散を燃焼機関の指標とできることを明らかにした。

预混物的自燃燃烧（例如 HCCI 发动机中的自燃燃烧）高度依赖于化学反应，但也受到燃烧室内燃料浓度和温度不均匀性的影响。很难通过实验来详细了解这些效应，也没有方法来定量评估这些效应。因此，本研究的目的是通过数值计算分析这些不均匀性对预混物着火和燃烧的影响，并提出定量评价方法。使用市售CFD代码进行计算，考虑到甲烷的详细化学反应过程（58个反应，17种化学物质）。我们以模拟往复式发动机燃烧室内部的圆柱体（总网格数3520）为目标，将该场分为三个区域，建立了可任意设定温度和浓度的计算模型，首先用恒定的体积。然而，即使采用体积不变条件，一个条件所需的计算时间也约为一周，我们判断它不适合计算面积体积因活塞运动而变化的场，因此我们改为多条件区域模型并将其用于往复式发动机，在模拟活塞的往复运动时研究了燃料浓度和温度不均匀性的影响。在该模型中，燃料和温度区域被分为两个具有可变体积比的区域。在输入热量相同的条件下，如果两个区域的燃油浓度（当量比）发生变化，点火正时不会受到太大影响，但随后的放热量会发生显着变化，并且随着当量的分散比率增加，燃烧周期会变化，发现呈线性关系。关于温度不均匀性的影响，随着温度的标准偏差增大，点火正时线性变早，但即使温度的标准偏差和离散度发生变化，燃烧周期也几乎保持恒定。除了证明由于燃烧室中燃料和温度的不均匀性而控制预混合气的自燃正时和燃烧周期的可能性之外，还使用温度的标准偏差和当量比的离散度作为点火正时的指标，并且用当量比的离散度作为内燃机的指标就表明这是可以做到的。