甲醇/正庚烷双燃料均质充量压缩着火燃烧

在单缸发动机上进行了甲醇/正庚烷双燃料均质充量压缩着火(HCCI)燃烧的试验研究,采用详细化学反应机理分析了它们的反应过程和中间产物历程.研究表明,甲醇和正庚烷浓度的变化主要通过影响第一阶段放热量和放热时刻,进而影响高温着火时刻.正庚烷当量比不变时,随着甲醇浓度增加,低温反应放热量减小,燃烧始点推迟;当总燃料当量比不变,增加正庚烷比例时,低温反应时刻提前,峰值放热率增加;正庚烷当量比和总燃料当量比之比在0.8左右时,高温着火时刻发生在上止点附近,此时气缸压力和峰值放热率最大.对排放影响因素分析表明,CO排放更多取决于燃烧温度,而HC主要取决于甲醇比例.数值模拟发现,OH摩尔分数在10-6数量级才触发冷焰反应,甲醇浓度的变化引起低温阶段nC7ket和OH最大浓度及时刻的改变,从而影响低温和高温反应.     

基础燃料均质压燃燃烧特性的数值计算

结合详细化学反应动力学机理,利用CHEMKIN软件计算了基础燃料均质压燃燃烧(HCCI)的过程,并与单缸HCCI燃烧试验作出对比。研究了燃料成分、压缩比、燃空当量比、初始温度、初始压力对HCCI发动机燃烧的影响。计算结果表明:随着燃料辛烷值的增加,着火延迟期增加;压缩比、当量比、初始温度、初始压力的变化对燃烧着火时刻有显著影响,同时不难看出,基础燃料HCCI燃烧运行工况范围是有限制的。     

气道喷射正庚烷缸内直喷异辛烷的分层充量压缩燃烧与排放特性

在一台单缸发动机上,通过进气道预喷正庚烷和上止点前缸内直喷异辛烷,对双燃料分层充量压缩燃烧(Stratified Charge Compression Ignition,SCCI)进行了试验研究.通过进气道预喷的正庚烷在进气行程形成均匀混合气并在上止点前发生两阶段反应,触发缸内直喷的异辛烷着火与燃烧,整个燃烧过程为分阶段燃烧,分析了不同负荷及预混合率时的燃烧与排放特性.结果表明:最大压力升高率为0.87 MPa/(°)时,最大平均指示压力(I MEP)可达到0.73 MPa,说明SCCI可以扩展运行负荷.预喷燃油量最大时的工况点,其NOx排放值较高;预喷正庚烷燃空当量比一定时,增加负荷,可以减小CO和THC的排放.     

气口喷射预混合燃料对生物柴油发动机排放特性的影响

在单缸发动机上研究了气口喷射正庚烷、二甲氧基甲烷(DMM)和乙醇的生物柴油发动机的排放特性.结果表明:气口喷射正庚烷时整个燃烧过程呈现明显的三阶段放热,预混合其他两种燃料时仅仅为单阶段放热;采用预混合燃烧可以同时降低NOx和烟度排放,但是预混合乙醇可以得到最大的降低效果;在预混合燃料当量比一定的条件下,随着总当量比增加预喷正庚烷时NOx增长速率最大,预喷DMM时烟度增长最快,预喷乙醇时HC排放显著高于其他两种预混合燃烧且受负荷影响不大;在总当量比一定下,随着预混合比例增加,HC和CO排放逐渐增加,NOx排放逐渐降低,达到某一临界比例后,CO排放开始降低,NOx排放开始增加,而HC排放基本上不变;烟度总是随着预混合比例增加而降低.     

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．     

基础燃料辛烷值对HCCI燃烧稳定性和循环变动的影响

研究了燃料辛烷值对均质充量压缩着火(HCCI)燃烧稳定性和循环变动的影响.在单缸HCCI发动机上,通过进气管喷射燃料形成均匀混合气,记录了正庚烷、PRF20、PRF40、PRF50、PRF60燃料在相同循环油量下100个循环的示功图,据此对主要燃烧参数和性能参数的循环变动进行了分析.研究表明,随着燃料辛烷值增加,各种燃烧参数和性能参数的循环变动系数增加,特别是当辛烷值达到40以后,循环变动显著增加.对某一种燃料而言,低温着火时刻和高温着火时刻的循环变动系数较小;燃烧过程后期参数(如最大放热率、最大压力升高率)的循环变动系数要大得多;而反映发动机性能的宏观参数(如最大气缸压力和平均指示压力)的循环变动的数量级介于两类燃烧参数之间.     

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.     

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.     

辛烷值和预混合率对双燃料发动机SCCI燃烧与爆震的影响

对参比燃料/柴油双燃料SCCI(Stratified Charge Compression Ignition,SCCI)燃烧进行了试验研究.分析了预喷燃料辛烷值以及预混合率对双燃料SCCI燃烧特性的影响.研究了各当量比φ下双燃料SCCI的最高压力和最大压力升高率,提出可以在限制爆震的前提下,通过优化预喷燃料的辛烷值及预混合率实现高效清洁的SCCI燃烧,并可将发动机负荷范围大大拓展.结果表明:在中低负荷区域(φ<0.481),低辛烷值预喷燃料可以提供良好的着火稳定性;而在高负荷区域(φ>0.561),高辛烷值预喷燃料可以避免爆震并且保持较高的热效率.     

异辛烷/柴油双燃料分层充质压缩着火燃烧和排放特性

在一台单缸发动机上进行了双燃料分层充质压缩着火(SCCI)燃烧的试验研究.分析了异辛烷作为预喷射燃料,柴油作为缸内直喷燃料的SCCI着火方式和燃烧过程,并通过固定直喷入缸内的柴油当量比φD,研究不同异辛烷预喷射当量比φP对SCCI燃烧和排放特性的影响.研究表明:SCCI燃烧出现两阶段放热;φP对燃烧和排放特性的影响存在一个临界值,且φD固定值增大,该临界值降低.对燃烧特性的分析发现:当φP高于临界值时,异辛烷的着火延迟明显缩短,其放热峰值显著增大;整个SCCI的燃烧速率、缸内最大压力和最高温度迅速提高,燃烧持续期几乎保持不变,热效率显著改善.对排放的研究发现:φP增大时,HC和CO排放先增大,但当φP高于临界值时,HC和CO排放逐渐减少;NOx和碳烟的排放随φP的增大而增大,但当φP高于临界值时,增大速率显著加快.     

Fuel design real-time to control HCCI combustion

In order to achieve lower emissions and extensive load in the homogeneous charge com- pression ignition (HCCI) engine system, a novel fuel design concept that high-octane number fuel and high-cetane number fuel are mixed real-time to con- trol HCCI combustion is proposed in this study. HCCI combustion fueled with iso-octane/n-heptane mix- tures controlled real-time on a single-cylinder HCCI combustion engine is studied. The test results show that the equivalence ratio of n-heptane in mixtures decides ignition and controls the combustion phase of HCCI combustion. The addition of iso-octane ex- tends knocking limit in equivalence ratio somewhat, but knocking occurrence mainly depends on the total concentration of mixture. Although operating range in equivalence ratio becomes narrow with the increas- ing proportion of iso-octane, the maximum load of HCCI combustion fueled with iso-octane/n-heptane mixtures controlled real-time is increased about 80% more than that of pure n-heptane. When iso-octane/ n-heptane mixtures are controlled in optimized method, it is proved that the load of HCCI combustion can be fully extended and emissions can be de- creased remarkably, while at the same time the higher indicated thermal efficiencies are obtained over the extensive operation range.     

边界参数对HCCI发动机燃烧影响的模拟研究

为了研究边界参数对柴油均质压燃(HCCI)发动机燃烧过程的影响,应用CHEMKIN化学动力学软件包中的SENKIN程序以及正庚烷(n-heptane)氧化反应简化模型,模拟了不同进气温度、进气压力和当量比等边界参数对HCCI发动机燃烧及排放特性的影响.结果表明,在相同当量比条件下,增压可以拓宽HCCI发动机负荷工况范围,同时保持氮氧化物排放基本不变;过浓或过稀的混合气导致CO排放增加;混合气浓度分层增加NO排放.     

Experimental study of n-heptane ignition delay with carbon dioxide addition in a rapid compression machine under low-temperature conditions

The ignition delay of n-heptane homogeneous charge compression ignition(HCCI) combustion under high levels of carbon dioxide addition was quantitatively measured at elevated pressure from low to intermediate temperatures in a rapid compression machine.The experiments were conducted in the compressed temperature range 613-750 K.Both the compression ratio and fuel/air equivalence ratio were varied to investigate their effects on the ignition delay of n-heptane.Carbon dioxide was subsequently added to study the influence of the carbon dioxide level on the ignition delay of n-heptane under low-temperature conditions.It was found that carbon dioxide had different effects on the two-stages of ignition delay of n-heptane under low-temperature conditions:the concentration of carbon dioxide had little effect on the first-stage ignition time;a certain concentration of carbon dioxide accelerated the first-stage ignition but had a significantly larger impact on the second-stage ignition delay,thus increasing the overall ignition delay time.The results also showed that the first-stage ignition delay of n-heptane is only a function of temperature under low-temperature conditions.The mass of n-heptane in the combustible mixture,the equivalence ratio,and the pressure at the top dead center had little effect on the first-stage ignition time of n-heptane.     

正庚烷/柴油双燃料复合HCCI燃烧的试验研究

通过在进气道预喷正庚烷,在上止点前缸内直喷柴油压燃,试验研究了不同预混合比例和不同负荷下的正庚烷/柴油双燃料复合HCCI燃烧和排放特性.结果表明:复合HCCI的热效率和原机柴油直喷压燃模式相当,并且可以在全负荷范围内有效降低原机的Nox排放,在大负荷时采用较小的预混合率还可以同时降低碳烟排放;与常规HCCI相比,显著降低了HC排放,同时在中低负荷对降低CO排放也有明显效果.     

EGR对甲醇HCCI发动机燃烧与排放的影响

针对均质压燃燃烧难以控制的问题,在一台发动机上,改装进排气系统,并加装均质混合气供油系统和进气加热系统,研究了外部EGR（废气再循环）对甲醇HCCI（均质充量压缩着火）燃烧与排放特性的影响。结果表明：外部EGR对甲醇HCCI燃烧过程和排放都有显著的影响,随EGR率的增加,CA10、CA50逐渐推迟,燃烧持续期逐渐延长,但影响的程度因混合气浓度的不同而变化;HC和CO排放逐渐增加,且增加的幅度逐渐变大;NOx排放仅在混合气较浓时存在（过量空气系数小于1.5时）,且随着EGR率的增加迅速下降。     

汽油HCCI发动机详细化学反应动力学双区模型

为考察汽油缸内直喷喷油策略对均质充量压缩着火(HCCI)燃烧的影响,在Chemkin源代码程序的基础上建立了高辛烷值汽油HCCI发动机双区燃烧数学模型。模型考虑了双区之间温度、压力以及体积的耦合,并嵌入反应传热和漏气过程的子模型,能够反映通过形成分层混合气控制HCCI燃烧的详细化学和物理过程。将双区模型和单区模型与试验结果进行对比发现,双区模型精度有了较大提高,消除了单区模型具有的压力尖峰,扩大了燃烧范围;并利用双区模型进行了HCCI发动机变工况研究,详细考察了不同分层混合气对HCCI燃烧的影响。结果表明:浓稀2区顺序放热使得缸内压力升高率降低,能够提高发动机的负荷。通过调整浓稀2区的比例,可以控制HCCI燃烧。     

汽油HCCI发动机详细化学反应动力学双区模型

为考察汽油缸内直喷喷油策略对均质充量压缩着火(HCCI)燃烧的影响,在Chemkin源代码程序的基础上建立了高辛烷值汽油HCCI发动机双区燃烧数学模型。模型考虑了双区之间温度、压力以及体积的耦合,并嵌入反应传热和漏气过程的子模型,能够反映通过形成分层混合气控制HCCI燃烧的详细化学和物理过程。将双区模型和单区模型与试验结果进行对比发现,双区模型精度有了较大提高,消除了单区模型具有的压力尖峰,扩大了燃烧范围。并利用双区模型进行了HCCI发动机变工况研究,详细考察了不同分层混合气对HCCI燃烧的影响。结果表明,浓稀两区顺序放热使得缸内压力升高率降低,能够提高发动机的负荷。通过调整浓稀两区的比例,可以控制HCCI燃烧。     

正庚烷均质压燃燃烧特性和排放特性的实验研究

为进一步了解高十六烷值燃料均质压燃的燃烧特性和排放特性，以正庚烷（n-heptane）为燃料，在一台改装的单缸直喷柴油机上进行正庚烷均质压燃台架实验．结果表明，正庚烷在均质压燃模式下表现出明显的双阶段着火特性；随着混合气浓度增大，缸内最大爆发压力和燃烧放热率峰值升高；随着发动机转速升高，燃烧放热率峰值先降低后升高，高转速的缸内最大爆发压力降低；当废气再循环率增大，缸内最大爆发压力和燃烧放热率峰值均降低，废气再循环使正庚烷均质压燃的运转工况范围向大负荷工况扩展，废气再循环率为75％正庚烷均质压燃运转的最高平均指示压力为0．41MPa．排放测试表明，正庚烷在均质压燃模式下的氮氧化物排放接近零，且可以实现无碳烟排放，但碳氢化合物和一氧化碳排放较高．