二甲基醚发动机工作过程的数值模拟研究

以二甲基醚着火反应机理和热力学燃烧模型为基础,建立了二甲基醚着火数据库及发动机工作过程的数学模型,藉此进行了发动机的循环模拟计算．计算结果与验证实验结果对比表明,Wiebe模型、Watson模型和Whitehouse-Way模型均可应用于二甲基醚发动机工作过程的模拟计算．应用化学反应动力学模型对DME发动机着火过程模拟计算结果所建立的着火数据库表明,滞燃期是缸内温度、压力和燃空当量比的函数,在一定的燃空当量比范围内,着火滞燃期随燃空当量比增大而变小．而采取将着火数据库与Watson燃烧子模型相耦合的模拟计算能够与实验结果相吻合。     

基于准维多区模型的DME发动机燃烧数值模拟

提出了一种基于准维多区模型的直喷式二甲醚发动机燃烧过程的数值模拟方法,其中喷雾模拟考虑了燃油分布、液滴蒸发和空气卷吸对喷雾混合的影响。自燃着火过程的模拟以二甲醚着火反应机理为基础,建立了计及温度、压力和燃空当量比因索的着火滞燃期数据库,通过将该数据库与准维多区喷雾混合模型相耦合,对二甲醚发动机的性能和一氧化氮排放进行了预测分析．实验结果表明,模拟计算结果与实测数据符合较好．     

LPG浓度对DME/LPG混合燃料HCCI燃烧的影响

通过分析二甲醚（DME）与液化石油气（LPG）的化学反应机理,构建了反映DME／LPG混合燃料均质压燃（HCCI）燃烧的化学反应机理．采用该机理应用单区燃烧模型对DME／LPG混合燃料HCCI燃烧的化学反应动力学过程进行了数值计算,模拟研究了混合燃料中LPG浓度对HCCI燃烧的影响．计算结果与试验结果对比表明,所构建的DME／LPG混合燃料氧化的化学反应机理能够准确预测DME／LPG混合燃料的两阶段放热特性,对低温和高温着火始点的预测很好．模拟结果显示,改变DME／LPG混合燃料中LPG的浓度可以控制HCCI着火和燃烧;在DME中添加LPG可以拓宽发动机的负荷运行范围．     

预测二甲醚发动机燃烧性能的准维多区燃烧模型

模型详细考虑了二甲醚（DME）发动机内燃油的喷雾、卷吸、传热、着火燃烧等过程,计算结果显示,模型采用正弦喷油规律更为合理,模型采用等质量和等径向间距两种油束分区方法得到的结果相同;计算的示功图和压力升高率曲线与实测结果吻合较好;计算的燃烧放热率由线很好地揭示了DME发动机燃烧的特点,该模型能够成功地模拟DME发动机各个工况下的燃烧过程。     

DME发动机准维直喷燃烧模型

为了能够预测二甲醚(DME)燃料缸内直喷燃烧及排放过程,基于该燃料气相喷雾雾化模型,推导出DME准维燃烧分区模型.通过气相射流模型对缸内情况进行分区,采用CHEMKIN库函数求解每个区化学反应速度.模型基于DME详细化学反应机理(包含79个物种、399步基元反应),采用DVODE算法对微分方程组进行求解,能够对DME着火过程进行模拟,并且能够对多种排放物(CO,NOz等)进行模拟预测.     

压缩比和CO2对二甲醚燃料均质压燃燃烧的影响

在一台2-135柴油机上实现了纯二甲醚(DME)的均质充量压燃(HCCI)的燃烧方式.为了扩展发动机适用工况,控制HCCI着火,进一步通过调节试验发动机压缩比以及在优化的压缩比下在进气道中加入气体CO2的方法来改进和控制HCCI的燃烧.试验结果表明,DME的HCCI燃烧模式不但可以实现无烟燃烧,还可以有效控制发动机NOx排放,使其接近于零排放.在试验负荷范围内,CO排放随负荷增加而降低;HC的排放随负荷增加而减少.对DME的HCCI燃烧机理等进行研究表明,由于纯DME十六烷值高导致着火较早(上止点前28°左右),该发动机只能在中低负荷较小范围内运行.改进的燃烧方法可以有效地控制HCCI燃烧,拓展HCCI发动机运转范围.     

柴油引燃甲醇双燃料发动机滞燃期的研究

在一台TY1100直喷柴油机进气管上安装一套电控甲醇低压喷射装置，进行了柴油引燃甲醇双燃料发动机着火滞燃期的试验研究．结果表明：随着甲醇质量分数的增加，双燃料发动机压缩过程多变指数呈线性减小，着火滞燃期延长；与原柴油机相比，发动机燃用双燃料后，在转速为1600r／min、全负荷、甲醇质量分数为62％时，着火滞燃期最大延长约1．50；提高进气温度，着火滞燃期缩短，进气温度从20℃增加到40℃再到60℃时，对着火滞燃期的影响逐渐增强；发动机的转速升高，在所有试验工况下，以时间计的着火滞燃期缩短；引燃柴油供油定时提前，着火滞燃期延长．     

耦合动力学的微型发动机燃烧特性

为了获得微型均质充量压燃(HCCI)自由活塞发动机着火燃烧特性参数,根据自由活塞发动机的动力学特点,建立了理想状态下的数学模型,提出了单次冲击微型HCCI自由活塞发动机工作过程的模拟方法.在单次活塞冲击情况下,耦合丙烷详细化学动力学反应机理,对微型HCCI自由活塞发动机着火燃烧过程进行了变参数研究,获得了不同混合气初始条件下着火时刻变化特性以及燃烧特性变化规律.计算结果表明:初始温度、初始压力以及燃料当量比对微型HCCI自由活塞发动机着火燃烧过程有重要的影响.     

纯甲醇压燃过程及其循环变动的模拟分析

建立了适合于多种燃料燃烧过程的零维数学模型，并利用优化算法 Ｐｏｗｅｌｌ法对 Ｖ２ｂ 函数中的各参数进行优化求解。应用此模型对实机燃用纯甲醇的压燃过程进行 了放热率的变工况拟合和循环变动率的数学统计分析。分析的参数包括零维燃烧模型 中各特性参数、平均指示压力、最高燃烧压力、着火延迟期及放热率与着火延迟期的 相关系数等。     

燃烧与供油系统参数对二甲醚发动机热效率的影响

采用一部分二甲醚(DME)燃料在发动机进气管与空气预先混合形成均质混合气进入气缸,另一部分DME在压缩行程末期利用压燃式发动机的燃油喷射装置喷入燃烧室实现部分预混充量压缩着火与燃料直接喷射(PCCI-DI)燃烧,开展了燃烧与供油系统参数对DME PCCI-DI发动机热效率影响的试验研究.结果表明:在DME进气引导量为每循环31.6 mg的条件下,采用5孔、φ0.32 mm的喷油嘴,16 MPa的启喷压力,较低的涡流比和推迟喷油,可改善TY1100 DME PCCI-DI发动机的热效率,使发动机在较宽广的转速和负荷范围内稳定运转.     

二甲醚发动机燃油喷射过程的实验与数值模拟

针对采用普通油泵-油管-油嘴燃油系统的二甲醚发动机,建立了燃油喷射过程的数学模型,通过对不同工况下燃用二甲醚和柴油的燃油喷射过程的数值模拟与计算结果的试验验证,揭示了二甲醚发动机燃油喷射过程的物理本质及其特性参数的变化规律．研究表明,由于二甲醚具有较高的可压缩性,致使其泵端与嘴端压力上升及下降都较柴油缓慢,压力上升始点延迟,实际喷油始点滞后,嘴端油管压力峰值较低,高压油管中的残余压力较高,较易出现二次喷射现象。     

柴油替代燃料着火过程的动力学特性

在均质充量压燃着火（HCCI）条件下,对构建的柴油替代燃料化学动力学模型,应用CHEMKIN软件闭式均相反应器模块研究了柴油替代燃料中甲苯的存在以及在不同初始温度下甲苯的含量对柴油替代燃料着火延迟时间的影响,结果表明：柴油替代燃料的着火特性主要由正庚烷来控制,而柴油替代燃料中甲苯缓慢的氧化对着火特性影响不大。在较低的初始温度下,甲苯的含量对着火时间的影响是明显的。随着甲苯含量的增加,更多的着火延迟过程会出现。     

高焓条件下燃料点火延迟调节对超燃发动机燃烧性能的影响

为了研究燃料与空气化学反应活性变化对超燃冲压发动机燃烧性能的调节机制,本文以氢燃料为基础,基于阿伦尼乌斯反应动力学体系和不确定量化分析(Uncertainty Quantification,UQ)方法,构建点火延迟可调的燃料模型,通过一系列的数值计算,对比分析燃料在不同点火延迟特性下的超声速燃烧特性。计算结果表明：基于不确定量化分析方法能够合理地构建基于点火延迟时间的氢燃料特性变化模型;当前高焓来流环境下,随着燃料点火延迟的增加,燃烧效率并不简单的单调递减,以氢气的基准点火延迟为参照,燃烧效率随点火延迟的变化存在两个清晰的拐点,并以此构成三个不同的特征区域,说明燃料的点火延迟特性对燃烧性能起不同程度的调控作用,详细的流动机理有赖于进一步针对燃烧流动结构形成和演化过程的精细化研究。     

大功率车用柴油机燃用航空煤油的燃烧仿真研究

建立了大功率车用柴油机燃用柴油和航空煤油的缸内燃烧模型。该模型利用喷雾试验结果对KH-RT破碎子模型进行了标定,同时耦合了燃油的化学反应动力学机理,具有较高的仿真精度。计算结果表明:相比柴油,柴油机燃用航空煤油喷雾破碎过程中雾化质量提高;燃烧过程中缸内滞燃期缩短,放热率峰值下降,缸内机械负荷及热负荷均得到缓解;柴油机燃用航空煤油在标定工况点相比燃用柴油功率下降5.8%,油耗率相当。     

二甲基醚喷雾混合过程的计算研究

采用气相射流模型对二甲基醚的喷雾特性进行了模拟计算,并将其与柴油喷雾的模拟计算值进行了对比．结果表明,在喷孔直径、环境密度等参数相同的条件下,二甲基醚喷雾的轴心速度和浓度的衰减速率均大于柴油喷雾的,而二甲基醚喷雾的贯穿距离与锥角则分别小于和大于柴油喷雾的．当环境密度和喷孔直径改变时,DME喷雾的轴心速度、贯穿距离和喷雾锥角均会随之变化．模拟计算结果与实验观测结果基本相符。     

用特征时间燃烧模型模拟直喷式柴油机的燃烧

为了更好地模拟直喷式柴油机的喷雾及燃烧过程，对Kiva-3程序的喷雾和燃烧模型进行了改进，引入Kelvin-Helmholtz和Rayleigh-Taylor模型来模拟油滴破碎过程，采用改进的SheU自燃模型来模拟着火过程，为了综合考虑化学动力学和湍流对燃烧的影响，采用层流和湍流多重特征时间尺度燃烧模型来模拟燃烧过程．计算结果表明：在不同工况下计算所得的缸内压力、滞燃期和燃烧放热速率与实验结果吻合良好，着火点位于油束下游当量比略小于1的稀混合气区域；用改进的Kiva-3程序可以较好地研究直喷式柴油机的喷雾和燃烧过程，为进一步利用三维数值模拟计算来指导直喷式柴油机的参数优化奠定了基础。     

车用二甲醚橡胶密封件相容性

针对二甲醚(DME)发动机动密封部位必须采用的弹性密封材料,深入展开了车用DME与橡胶密封材料的相容性研究.试验测试了不同橡胶材料耐受DME介质的能力,比较分析了各类材料在DME中浸泡72 h前后的体积与质量变化率,并对比了浸泡前后的拉伸强度、撕裂强度、硬度等力学性能.结果表明:三元乙丙橡胶(EPDM)具有相对良好的耐受DME的能力;车用DME中杂质含量、润滑添加剂成分及比例、EPDM材料组分对EPDM耐受DME性能存在一定影响;当DME发动机燃油系统标定采用车用柴油标定时,EPDM短期内耐车用柴油能力处于可接受的范围.     

直喷式柴油机燃用F-T柴油时燃烧特性的研究

根据实测的喷油器针阀升程和示功图，对一台单缸、直喷式柴油机燃用Fischer—Tropsch（F—T）柴油时的燃烧放热规律进行了计算，并系统分析了其燃烧特性．研究结果表明：与0号柴油相比，F—T柴油的喷油延迟角和喷油持续期稍长，滞燃期平均缩短了18．7％，预混燃烧放热峰值平均降低了26．8％，扩散燃烧放热峰值较高，快速燃烧期较短，燃烧持续期相当；燃用F—T柴油时的最高燃烧压力略低，最大压力升高率显著降低，燃烧噪声和机械损失较小，有效燃油消耗率和有效热效率得到了改善．