柴油/甲醇高温富燃动力学机理的简化

采用直接关系图(DRG)法和敏感性分析(SA)法对包含261种组分、1,338个反应的柴油/甲醇高温氧化机理进行了简化.开发了适用于层流火焰模型的DRG简化程序,取阈值0.01得到包含65种组分、409个反应的初步简化机理,将该机理与详细机理的模拟结果进行了对比分析;在初步简化结果的基础上,采用SA方法进一步得到包含61种组分、151个反应的简化机理.简化机理对参比燃料中甲苯和产物中苯的模拟结果与层流火焰的试验值吻合较好,能反映碳烟前驱体的演化过程;氧化剂、主要产物以及其他参比燃料的预测值与试验值接近,可以描绘层流预混火焰结构;简化机理与预测双燃料着火的23步反应机理结合后,应用到缸内燃烧的三维模拟中,可以较为准确地预测缸内压力和放热率的变化.     

柴油喷雾火焰低温燃烧大涡模拟研究

柴油喷雾燃烧是个复杂的物理化学过程,尤其是低温条件下湍流燃烧仍有许多未知的现象.本文基于大涡模拟方法开展了不同环境温度下正十二烷喷雾火焰燃烧过程的模拟研究.首先,通过与喷雾燃烧基础数据库Engine Combustion Network(ECN)网站上试验数据对比,包括喷雾发展过程、着火延迟期和火焰浮升长度试验值,发现LES-LEM模型能够捕捉喷雾发展过程和燃烧过程,并且与试验数据非常接近.其次,本文深入分析了喷雾火焰中的低温燃烧过程,研究发现,提高初始温度,第1阶段着火延迟期和总的着火延迟期均缩短,而第2阶段着火延迟期变长,同时提高初始环境温度,出现放热率峰值的混合气浓度增加.酮类过氧化物和甲醛可以表征喷雾火焰中的多阶段着火过程,在着火延迟期附近,随着初始温度升高,酮类过氧化物(OC_(12)H_(23)OOH)质量分数峰值逐渐远离当量比混合物分数(Z_(st))向浓混合气方向发展.最后,本文探究了初始温度对整体燃烧放热过程和主要组分,包括碳烟标识物C_2H_2生成的影响.研究发现900 K条件下C_2H_2累积质量高于低温条件下的累积质量,这主要是由于900 K条件下着火延迟期和火焰浮升长度缩短,卷吸进来的空气质量减少,燃油与空气混合变差,产生了有利于C_2H_2形成更广泛的浓混合气区域.     

柴油机燃用乙醇-柴油-汽油混合燃料的试验研究

以汽油为助溶剂配制出均匀稳定的乙醇-柴油-汽油混合燃料,在单缸四气门135柴油机上对燃用不同配比混合燃料及使用不同油嘴型式进行了性能试验。结果表明:燃用适当配比的乙醇-柴油-汽油混合燃料,柴油机动力性、经济性基本不变,碳烟和NOx排放下降明显;着火滞燃期延长,缸内平均温度下降,燃烧速率加快,燃烧持续期缩短;当使用HL伞喷油嘴燃用E20G15燃料时,着火滞燃期进一步延长,油气混合速率和混合气均匀度明显提高,在整个工况范围内,气缸压力和缸内平均温度均较低,碳烟和NOx排放同时降低,其燃烧过程具有明显的热预混合燃烧特征。     

基于组分浓度的LNG-柴油燃料反应机理简化

以甲烷-正庚烷-异辛烷-环己烷-甲苯混合物作为LNG(液化天然气)-柴油模型燃料,构建了包含1 425种组分和5 597个基元反应的LNG-柴油模型燃料详细燃烧反应机理.以重要组分摩尔分数为目标参数,通过基于误差传递直接关系图法对该详细机理进行了简化,分析了简化阈值与机理规模的关系,结合反应路径研究了机理简化的规律.结果表明:随着简化阈值增大,机理规模逐渐减小,但减小的速度逐渐降低,当阈值增大至0.8时,简化机理规模基本恒定.结合简化阈值与误差,确定合理的简化机理包含208种组分和1 087个基元反应,该机理可准确预测模型燃料的着火延时与层流燃烧速度.简化机理保留了H2/CO/C1子机理、C2-C3半详细机理和C4-C8骨架机理,去除了约85%冗余组分和81%的基元反应.     

柴油机燃用乙醇-柴油-汽油混合燃料的试验研究

以汽油为助溶剂配制出均匀稳定的乙醇-柴油-汽油混合燃料，在单缸四气门135柴油机上对燃用不同配比混合燃料及使用不同油嘴型式进行了性能试验。结果表明：燃用适当配比的乙醇-柴油-汽油混合燃料，柴油机动力性、经济性基本不变，碳烟和NOx排放下降明显；着火滞燃期延长，缸内平均温度下降，燃烧速率加快，燃烧持续期缩短；当使用HL伞喷油嘴燃用E20G15燃料时，着火滞燃期进一步延长，油气混合速率和混合气均匀度明显提高，在整个工况范围内，气缸压力和缸内平均温度均较低，碳烟和NOx排放同时降低，其燃烧过程具有明显的热预混合燃烧特征。     

短链醇酯与柴油混合燃料燃烧过程分析

为了解短链醇酯混合燃料的燃烧特性,在柴油机上燃用不同比例乙醇-碳酸二甲酯(DMC)-柴油多元混合含氧燃料,并运用Chemkin软件模拟缸内燃烧氧化动力学性质,探究含氧官能团对燃烧过程影响的机理.结果表明:由于短链醇酯燃料具有较高的汽化焓及较低的十六烷值,延缓了混合燃料的着火过程,故随混合燃料中乙醇和DMC掺混比例的增加,缸压曲线不断后移,压力峰值逐步降低;但由于着火延迟期内形成的可燃混合气量增多,使放热率峰值逐步上升.反应动力学结果显示:低温区活性自由基·OH主要由正庚烷(柴油替代物)脱氢生成,乙醇和DMC的加入能争夺低温反应区内的·OH,使反应活性较强的·OH转化为活泼性稍差的H_2O_2,抑制了整个燃烧过程,使着火延迟期变长;在高温阶段,乙醇分子中C—C和C—O键的断裂优于C—H和O—H键,而DMC主要发生C—O的裂解,C=O键因键能更高未断裂.     

柴油-天然气RCCI发动机燃烧过程数值模拟

在Z6170双燃料发动机的基础上,采用CONVERGE软件建立柴油-天然气反应活性控制压燃(RCCI)发动机数值计算模型,分析第一次喷油始点、第二次喷油始点及低活性燃料比例对RCCI发动机燃烧过程的影响规律;将过氧化氢烷(QOOH)与羟基(OH)分别作为缸内低温着火标志物与高温着火标志物,分析缸内可燃混合物着火-燃烧过程.结果表明,随着喷油始点滞后,正庚烷浓度梯度提升,高温着火始点随之提前.仅当第二次喷油始点由705°CA上止点后(ATDC)滞后至710°CA ATDC,喷射的燃油在缸内被直接压燃,着火时刻推迟,高温着火始点滞后1.10°CA.随着低活性燃料比例的提升,低温着火时刻与高温着火时刻均显著推迟.此时,随着喷射燃油量减少,缸内预混当量提升幅度较弱,导致缸内燃烧速率减小,放热率峰值降低.     

辛烷值敏感性对GCI发动机低负荷稳定性的影响

本文结合单缸机试验和多循环大涡模拟,采用辛烷值相同而敏感性不同的燃料,研究了辛烷值敏感性对汽油压燃发动机燃烧稳定性的影响．结果表明：辛烷值敏感性显著影响了燃烧稳定性,随着燃料辛烷值敏感性的增加,燃烧稳定性降低;同时,高温着火时油气混合越均匀,参与高温燃烧的混合气越多,燃烧越完全．辛烷值敏感性为5.3的燃料低温放热率更高,低温冷焰诱发小幅度温度升高改善混合气均匀性,但由于低温放热的循环变动更大,导致部分循环的混合气均匀性改善效果不明显．因此,燃料低温放热比例循环变动和高温着火时混合气均匀性循环变动是导致GCI发动机燃烧不稳定的主要原因．     

加氢催化生物柴油引燃汽油可视化

为了改善内燃机燃烧与排放,探究双燃料反应活性控制压燃燃烧规律,分析缸内直喷喷油策略对发动机燃烧特性的影响,采用光学发动机,针对进气道喷射汽油、缸内直喷加氢催化生物柴油的双燃料燃烧模式,通过调节加氢催化生物柴油的喷油时刻和喷油比例,对发动机燃烧过程进行试验分析.结果表明:随着缸内直喷加氢催化生物柴油比例的增加,循环燃烧压...     

不同燃料对压燃发动机燃烧及关键组分的影响

采用计算流体动力学(CFD)模拟技术研究了直喷式柴油机燃用不同燃料(柴油、甲苯、十二烷、十六烷、正庚烷及异庚烷)的燃烧特性以及燃烧过程中关键反应组分的变化历程,分析了不同燃料燃烧反应组分与放热率之间的关系.研究结果表明:缸内压力计算值与参考文献中实验值较吻合,验证了模型的正确性;燃用甲苯缸内压力、放热率以及累积放热量最大;燃用甲苯缸内燃烧反应产生的H,N,OH与O活性基量级最大.此外,燃用6种不同燃料,均是OH活性基生成较多.     

四组分汽油替代燃料的化学动力学模型

该文通过反应路径分析和灵敏度分析,发展了甲苯氧化子机理,进而构建四组分(异辛烷、正庚烷、甲苯、乙醇)汽油替代燃料的化学动力学模型。该模型包含75个组分和305个基元反应。验证结果表明:该模型不仅能够准确计算单组分燃料的着火延迟时间、火焰传播速度和火焰结构,而且在一定的压强和温度范围内,能够较准确地计算多组分汽油替代燃料的着火延迟时间,反映不同辛烷值汽油的自燃特性。该文提出的四组分汽油替代燃料动力学模型包含较少的组分数与基元反应数,更有利于在汽油燃烧的多维计算流体动力学(CFD)模拟中得到应用。     

高压环境下高炉煤气化学反应机理敏感性分析及机理简化

为了解决数值研究过程中缺乏适用于高压条件下高炉煤气简化机理的问题,利用敏感性分析方法、借助一维层流预混反应器模型,分析了各基元反应对燃烧速率的影响程度。通过选取敏感性较大的反应并修正其在高压条件下的反应动力学参数,将详细反应机理简化为一套适用于常压至3 MPa燃烧环境下的18步简化机理。采用简化机理、GRI3.0机理和Davis机理分别对层流火焰速度、点火延迟和组分摩尔浓度等参数进行了计算并与实验数据进行了对比。结果表明,在常压及高压条件下18步简化机理获得的计算结果与实验结果吻合较好,其为高压条件下高炉煤气等低热值气体燃烧特性的数值研究奠定了基础。     

汽油层流燃烧速度的测量及其替代物模型研究

针对实际汽油组分复杂导致数值模拟研究困难的问题,采用球形火焰法,在定容燃烧弹上测量了初始温度分别为358、403、448 K,初始压力分别为0.1、0.2、0.5 MPa,当量比为0.8～1.5工况下,实际汽油、正庚烷、异辛烷、甲苯、异辛烷/正庚烷混合燃料(PRF)、甲苯/异辛烷/正庚烷混合燃料(TRF)的层流燃烧速度,分析了初始温度、压力以及当量比对汽油的层流燃烧速度的影响规律,对比了不同替代物模型对实际汽油的层流燃烧速度的预测结果。基于实验结果,构建了适合我国汽油的双组分和三组分汽油替代物模型,对比结果表明,在本研究的实验工况范围内,三组分汽油替代物模型比双组分汽油替代物模型能够更好预测实际汽油层流燃烧速度。应用Chemkin软件和KAUST清洁燃烧研究中心近期发展的汽油替代物机理,对本研究实验数据进行了数值仿真,该机理对实验数据给出了合理预测。利用本研究提出的汽油替代物模型,可对实际汽油的层流燃烧速度进行合理的预测。     

汽油PRF简化化学反应动力学模型的构建研究

利用反应路径分析和敏感性分析方法对异辛烷和正庚烷的详细化学反应动力学模型进行简化,根据“半解耦”思想,以C0~C1的小分子机理作为汽油基础参考燃料（PRF）的“内核”,构建了包含41种组分和131个反应的PRF简化化学反应动力学模型,并通过了基础反应器包括激波管（ST）、一维层流火焰速度（LFS）和射流搅拌器（JSR）...     

甲醇/正辛醇/加氢催化生物柴油单液滴蒸发与微爆特性研究

为了研究理化特性强烈互补的甲醇/加氢催化生物柴油(HCB)混合燃料的单液滴蒸发微爆特性,本文针对纯加氢催化生物柴油M0以及两种不同甲醇体积比的三元混合燃油M15(15%甲醇、17%辛醇和68%HCB)和M25(25%甲醇、17%辛醇和58%HCB)在不同环境温度下进行了详细的试验研究。首先,通过微观几何形态和热重试验对混合燃油的理化属性进行了分析。然后,在一个恒温加热炉中采用挂滴法结合高速显微成像技术,获得了液滴在蒸发过程中的形态、平方直径和气泡比等蒸发特性。研究得出:随着甲醇含量增加,混合燃油中分散相液滴粒径增大、数目增多,蒸发速率加快;随着甲醇比例的增加,混合燃油液滴内部出现更加剧烈的醇相气泡膨胀并发生微爆现象,且微爆后喷射出的子液滴粒径大大提高,显著缩短了母液滴的寿命;随着环境温度的增加,微爆频率增加,更显著地加快了液滴的蒸发速率。本文结果将对甲醇/HCB混合燃料喷雾燃烧特性以及该混合燃料的发动机适用性研究提供理论参考。     

甲醇/柴油PAHs形成途径的动力学模型与仿真

对甲醇/柴油化学反应和多环芳香烃(PAHs)的生成机理进行了分析,构建了由228种组分和1 584个基元反应组成的甲醇/柴油PAHs计算模型.采用CHEMKIN软件中的reflect shock和均质零维反应模型,研究了甲醇/柴油混合燃料的PAHs生成过程及变化规律.结果表明:该模型能准确预测甲醇/柴油燃烧过程中的反应温度,甲醇摩尔分数,反应中间产物CO,CO2,O2的摩尔分数随时间的变化规律和着火延迟;甲醇/柴油燃烧过程中,单个苯环主要通过丙炔基聚合和环化反应以及苯基的加氢反应形成;多个苯环主要通过脱氢加乙炔反应形成;PAHs的生成量随着甲醇掺混比例的增加而下降;随着混合气当量比减小,PAHs的前驱体C2H2,C3H3生成量减少.     

加氢生物柴油-乙醇-柴油在高压共轨柴油机上的燃烧与排放特性

为了研究加氢生物柴油-乙醇-柴油三元燃料的燃烧和排放性能,配制加氢生物柴油-柴油二元燃料(PHC10、PHC20、PHC30)和加氢生物柴油-乙醇-柴油三元燃料(PHC5E5、PHC10E10、PHC15E15),选取1 800r/min时25%、50%、75%和100%负荷工况作为测试工况,在高压共轨四缸柴油机上对各混合燃料进行燃烧试验研究。试验结果表明:在100%负荷工况下,与柴油相比,二元燃料、三元燃料的着火时刻分别提前、滞后,这是加氢生物柴油和乙醇的不同十六烷值影响的结果;二元燃料的着火时刻提前,着火延迟期内形成的可燃混合气数量较少,而且加氢生物柴油的低热值较低、运动黏度较高,在主燃烧阶段内的最大缸压和放热率峰值均低于柴油;对于三元燃料,初期燃烧放热可以有效降低乙醇的汽化潜热带来的不利影响,而且乙醇挥发性能较好和氧含量较高,使得三元燃料在主燃烧阶段内的最大缸压和放热率峰值均大于柴油。三元燃料的HC和CO排放均高于二元燃料,二者的差异随着负荷的增大而减小;混合燃料的NOx排放受负荷影响较大,在25%和50%负荷工况下,三元燃料的NO_x排放低于二元燃料,而在75%和100%负荷工况下呈现相反的趋势;三元燃料的碳烟排放低于二元燃料。该研究可为加氢生物柴油-乙醇-柴油三元燃料在发动机上的应用提供基础数据。     

高辛烷值组分对正庚烷着火燃烧特性的影响

采用动力学模拟方法,研究了乙醇、异辛烷和甲苯这3种乙醇汽油中主要高辛烷值燃料组分的引入对正庚烷着火特性的动力学影响。研究结果表明:在初始温度高于1 000K左右的高温条件下,3种高辛烷值燃料组分的引入对燃料着火滞燃期几乎没有影响;在中低温条件下,高辛烷值组分的引入对燃料着火滞燃期影响显著。这是因为,低温条件下高辛烷值组分的引入对正庚烷氧化脱氢反应起到了抑制作用,进而影响了随后的低温链式反应,这种抑制作用使得正庚烷低温放热减弱、温度上升缓慢、着火向后延迟。在所研究的3种高辛烷值燃料中,乙醇抑制正庚烷着火的效果最显著,甲苯和异辛烷延迟正庚烷着火的效果相差不大,甲苯略微强于异辛烷。     

适用于HCCI的正庚烷-二甲醚混合燃料简化机理的构建及不同混和比对燃料影响的研究

在正庚烷和二甲醚单独燃烧的详细机理基础上,提出分别适用于正庚烷和二甲醚的简化机理,其中,二甲醚的简化机理包括24个组分、28个反应,正庚烷的简化机理包括41个组分、48个反应.验证后发现,2个简化机理与详细机理较吻合.将2个简化机理耦合,尝试提出适用于均质压燃发动机的正庚烷-二甲醚混合燃料燃烧的简化机理模型.混合燃料的简化机理模型包括51个组分、64个反应.保持简化过程中的工况,将实验所得的数据与简化机理对比,验证该简化机理的有效性.结果表明,简化机理在一定程度上能有效反应缸内压力和温度的变化情况.为进一步验证简化机理的有效性,在不同工况下进行简化机理计算和实验研究,并将实验结果与计算结果进行对比.结果显示,简化机理在一定范围内可反映缸内压强、温度的变化情况,且在着火延迟时间以及主要物质的变化趋势方面,简化机理的计算结果和实验的结果基本一致.在分析混合燃料燃烧简化机理模型的基础上,对比不同掺合质量比对混合燃料体系缸内压强、温度和着火延迟时间的影响.研究结果显示,少量二甲醚掺入混合燃料可有效提高上述参数.     

异丁醇汽油混合燃料发动机燃烧排放特性研究

将体积分数为10%、20%、30%、40%、50%的异丁醇与体积分数为90%、80%、70%、60%、50%的汽油混合组成5种异丁醇汽油混合燃料,结合纯汽油,在一台四缸汽油机上进行发动机燃烧排放的研究和对比.结果表明:汽油机燃用合适比例异丁醇汽油混合燃料的功率和扭矩与燃用纯汽油时基本相当;燃用混合燃料的燃油消耗率和等效燃油消耗率略有增加,能量消耗率多数转速下低于纯汽油;混合燃料的CO、THC和NO_x排放与燃用纯汽油时相比均有不同程度的降低,但混合燃料的CO_2排放和排烟温度有所增加.