基于光学发动机的PODE燃烧特性试验研究

聚甲氧基二甲醚(PODE)是一种理想的柴油替代燃料,具有明显的低、高温化学反应,显著影响发动机着火性能及燃烧放热特性．在双燃料发动机中,PODE通常作为高活性燃料引燃低活性燃料,但目前关于纯PODE燃烧研究很少．本文基于一台单缸光学发动机,结合瞬态缸压采集和高速摄影同步测试方法,获得了缸压、放热率、滞燃期、燃烧持续期、火焰图像等特征参数,研究了关键参数(喷油量、进气温度、喷油时刻)对PODE燃烧特性的影响.结果表明：在均质条件下,PODE燃烧呈现出明显的两阶段放热,混合气呈现顺序自燃;随着喷油量的增加,缸压和放热率峰值提高,高温反应提前而低温反应先推迟后提前.分层条件下,PODE着火性能改善,燃烧持续期变短,放热率分布较为集中;随着进气温度增加,缸内热氛围改善,可燃混合气分布更加均匀,放热率峰值减小;而随着喷油时刻的推迟,缸内油气混合时间缩短,燃烧呈现从均质燃烧向扩散燃烧转变的趋势．研究结果有助于更好地理解PODE压燃燃烧特性,为PODE在内燃机中的高效清洁利用提供理论指导.     

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.     

二异丁烯均质压燃着火与燃烧特性分析

运用数值方法对均质压燃条件下二异丁烯（Diisobutylene ,DIB）的着火与燃烧特性进行了研究。数值计算结果与相应实验结果吻合较好,说明数值计算合理可靠。分析了初始压力、当量比、燃料组分对二异丁烯着火特性的影响,以及二异丁烯在HCCI发动机条件下的燃烧特征。结果表明,随着初始压力、当量比的增加,二异丁烯着火延迟期缩短;燃烧达到的最高温度随着当量比增加而提高,但不受初始压力变化的影响。在均质压燃条件下,二异丁烯同分异构体DIB 1着火先于DIB 2,二异丁烯混合物燃料着火延迟时间依赖于二异丁烯同分异构体组分的比例关系。二异丁烯是单阶段着火燃料,DIB 2最大放热率低于DIB 1,但仍能提供良好的动力性能。     

DRGEP与敏感性分析方法构建甲苯简化动力学模型

基于Metcalfe提出的甲苯详细反应机制,采用基于误差传递的直接关系图(DRGEP)方法得到由92组分、607反应组成的初步反应框架,然后采用反应速率分析和温度敏感性分析在宽范围的温度、压力和当量比条件下将机制进一步简化,得到48组分、176反应的甲苯简化动力学机制。将甲苯简化机制与激波管的滞燃期、射流搅拌器中的组分浓度及HCCI发动机试验数据进行对比。结果表明:简化后的甲苯机制预测结果与试验结果非常吻合。甲苯被OH基氧化脱氢的反应在浓混合气条件下抑制系统反应的进行,但在稀燃时会促进系统氧化反应,增加系统温度。另外,与O-OC_6H_4O_2相关的反应对着火有重要影响,C_6H_4CH_3与O_2形成O-OC_6H_4CH_2的过程随温度升高延迟着火作用增强。     

N_2O对乙烯自点火敏化作用的实验和理论研究

为了探究肼类自燃型火箭推进剂热解和氧化组分中不饱和烷烃与氮氧化物间是否存在直接交互作用,对C_2H_4和N_2O混合气的自着火过程进行了实验和理论研究。利用激波管反射激波方法,测量了化学计量比C_2H_4/O_2/N_2O/Ar混合气(N_2O与(O_2+N_2O)的摩尔分数比为0%、50%、80%和100%)在温度为1 214～1 817K、压力为0.12～1.01 MPa下的点火延迟期。实验结果表明,与纯O_2作为氧化剂比较,N_2O替换部分O_2显著降低了C_2H_4的反应活性,延长其点火延迟期,随着N_2O浓度的增加,抑制影响效果变化显著,在N_2O/O_2的摩尔分数比超过50%情况下尤为突出,单O原子N_2O在氧化不饱和烷烃时并未表现出优势。数值模拟结果表明,只有Aramco-Z可在整个研究工况下合理地预测当前实验结果。N_2O和C_2H_4之间并未发生直接化学交互作用,N_2O的添加对C_2H_3与O_2反应速率及活性自由基池浓度的抑制作用是其氧化能力弱于O_2的主要动力学机制。     

C_2H_6/H_2混合气着火特性的实验与化学动力学研究

利用高压激波管实验装置测量了化学计量比下的C2H6/H2/O2/Ar混合气的着火延迟期,实验的温度范围为900~1 700K,压力为1.2~16倍标准大气压。实验结果表明:当混合气中C2H6的摩尔分数xC2H630%时,着火延迟期与温度和压力呈现出了典型的Arrhenius依赖性;当3%≤xC2H630%时,着火延迟期与温度仍呈现出Arrhenius关系,但是压力越高全局活化能越高;当xC2H6≤3%时,着火延迟期与温度和压力呈现出复杂的依赖关系。模拟结果表明:xC2H6对C2H6/H2混合气着火延迟期的影响是非线性的,NUIG Aramco Mech 1.3机理可以很好地预测出实验结果;通过化学反应路径分析和标准化的H自由基分析,可以解释着火延迟期对xC2H6的依赖关系。     

二甲醚-氢气-空气混合气预混燃烧的实验研究

在定容燃烧弹中,研究了不同燃空当量比、掺氢比和初始压力下的二甲醚-氢气-空气预混合气的一系列层流燃烧特性参数,并且系统地分析了当量比、掺氢比和初始压力对燃烧的影响.结果表明:随着掺氢比的增大,火焰传播速率、层流燃烧速率、燃烧压力升高率和质量燃烧速率都明显增大,火焰发展期和燃烧持续期则随之缩短;当掺氢比较低时,随着当量比的升高,马克斯坦长度不断递减,即稀混合气的燃烧稳定性更高;当掺氢比较高时,随着当量比的升高,马克斯坦长度不断递增,即浓混合气的燃烧稳定性更高;最高燃烧压力随着初始压力的升高而升高,受掺氢比的影响相对较小.     

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。     

丙烷自燃特性及爆震机理的试验研究

为了深入揭示丙烷自燃和爆震燃烧机理,基于一台新型快速压缩机试验平台,开展了不同初始压力、当量比条件下丙烷-空气混合气自燃和爆震燃烧的试验研究,并通过瞬态压力和高速相机同步测试方法进行了缸内燃烧过程研究.结果表明:爆震压力振荡强度随着初始压力的提升显著增强,压力振荡的产生与着火方式无绝对关系,其振荡强度主要取决于自燃发生前末端混合气的状态.轻微爆震和弱爆震由末端自燃导致,自燃时未燃混合气区域越大,爆震强度也越高.超级爆震的形成是由于超声速自燃火焰的传播导致压力波在火焰面前方的汇聚,并最终导致爆燃向爆轰模式转变所致,从而形成峰值极高的压力振荡.     

二甲醚-空气-N2/CO2混合气层流燃烧特性研究

利用容弹球形火焰法测量了常温、常压下不同稀释系数、不同当量比时二甲醚-空气-N2/CO2混合气的层流燃烧特性.研究结果表明:拉伸火焰传播速度、无拉伸火焰传播速度、无拉伸层流燃烧速率均随稀释系数的增大而减小.Markstein长度值随稀释系数的增大而增大,二甲醚-空气混合气中加入稀释气后提高了火焰前锋面的稳定性.二甲醚-空气混合气进行少量稀释后即可提高火焰的稳定性,继续增大稀释系数对提高火焰稳定性的作用不明显.无拉伸层流燃烧速率最大值随着稀释系数的增加向浓混合气方向偏移.随着稀释系数的增大,二甲醚-空气-稀释气混合气的稀燃极限向浓混合气一侧移动,浓燃极限向稀混合气一侧移动,可燃范围变窄.CO2作为稀释气对火焰传播速率和可燃区域的影响大于N2作为稀释气对火焰传播速度和可燃区域的影响.     

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。     

电喷汽油机冷起动及冷态怠速的排放控制

为了改善电喷汽油机冷起动及冷态怠速运转（即暖车过程）性能,自行研制了基于高能双火花塞点火的快速燃烧系统．实验结果表明,基于高能双火花塞点火的快速燃烧技术有助于汽油机冷起动工况的快速点燃、同时,由于对称布置的双火花塞缩短了火焰传播距离,提高了着火的机会,加快汽油机可燃混合气的燃烧放热效率、在保证稳定燃烧的前提下,可以在暖车过程中实现较大的点火延迟,迅速提高排气温度,缩短三元催化剂的HC起燃时间,实现改善电喷汽油机冷起动及冷态怠速过程排放特性的目的。     

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.     

汽油在O2/CO2氛围下燃烧特性试验

基于定容燃烧可视化光学平台,模拟缸内直喷(GDI)汽油机缸内燃烧环境,研究汽油在O2/CO2氛围和空气氛围下均质燃烧特性以及火焰传播特性,研究结果表明当循环喷油量一定时,相比于空气氛围,汽油在氧气浓度为40%的O2/CO2氛围下燃烧的压力升高率提高了1.8倍,着火落后期和明显燃烧期缩短近50%,放热率的峰值增大了近1倍,且峰值相位提前。过量空气系数对汽油在O2/CO2氛围下燃烧的影响较大,化学当量比时放热率的峰值达到最大,随着过量空气系数增大,最大燃烧压力增大,最大压力升高率下降,放热率的峰值下降,且峰值相位后移,反应速率下降,明显燃烧期增大,且火焰传播速度明显下降。     

汽油在O_2/CO_2氛围下燃烧特性的试验研究

基于定容燃烧可视化光学平台,模拟缸内直喷(GDI)汽油机缸内燃烧环境,研究汽油在O_2/CO_2氛围和空气氛围下均质燃烧特性以及火焰传播特性。研究结果表明当循环喷油量一定时,相比于空气氛围,汽油在氧气浓度为40%的O_2/CO_2氛围下燃烧的压力升高率提高了1.8倍,着火落后期和明显燃烧期缩短近50%,放热率的峰值增大了近1倍;且峰值相位提前。过量空气系数对汽油在O_2/CO_2氛围下燃烧的影响较大,化学当量比时放热率的峰值达到最大。随着过量空气系数增大,最大燃烧压力增大,最大压力升高率下降,放热率的峰值下降,且峰值相位后移,反应速率下降,明显燃烧期增大,且火焰传播速度明显下降。     

二甲醚和柴油高压喷射喷雾与燃烧可视化对比研究

为明晰高压喷射条件二甲醚闪急沸腾状态下的喷雾形态、自着火和火焰发展特性，通过高温高压定容燃烧弹，利用高速相机基于纹影法对比研究了柴油和二甲醚的喷雾和燃烧特性。实验中将喷射压力设置为60、100 MPa,环境背压设置为4 MPa,在喷雾、燃烧条件下环境温度分别设置为400、800 K。研究结果表明：同工况下二甲醚的喷雾贯穿距和喷雾面积均小于柴油，但其喷雾锥角大于柴油，雾化时间短于柴油，雾化效果优于柴油。随着喷射压力的提高，二甲醚与柴油的贯穿距和喷雾面积都增大，100 MPa喷射压力下二甲醚喷雾面积较60 MPa增大18.18%,而同工况下柴油增大23.5%。相比于柴油，二甲醚燃烧滞燃期和火焰浮起长度较短，燃烧持续期与柴油相当，但二甲醚燃烧火焰亮度、火焰面积和碳烟生成量明显低于柴油。随着喷射压力的提高，柴油与二甲醚的碳烟生成量均降低，但二甲醚的碳烟生成量降低效果更加显著，该文碳烟生成量用体积分数KL因子总和来表示，发现100 MPa喷射压力下的二甲醚KL总和较60 MPa减小33.3%,而同工况下柴油减小19.32%。     

双电极点火时间间隔对天然气-空气预混合气层流燃烧的影响

在定容燃烧弹中对天然气-空气预混合气双电极点火进行了研究,分析了双电极在不同空燃比和预混压力下的4种点火时间间隔对混合气燃烧特性的影响。结果表明:增加点火时间间隔可以促进燃烧,加速火焰传播,使容弹内燃烧压力峰值、已燃区工质温度峰值略有上升,瞬时放热率峰值升高,各峰值位置提前,火焰发展期和快速燃烧期缩短,在稀薄燃烧或预混压力较小等不稳定着火、燃烧的情况下这种规律更显著,点火间隔为2ms时各参数变化最为明显;点火间隔为2ms,过量空气系数λ为1.3、预混压力为100kPa和λ为1.0、预混压力为40kPa时,双电极间隔点火的压力峰值出现时间比同时点火分别提前了45ms和12ms,温度峰值出现时间分别提前了39.8ms和11.8ms,瞬时放热率峰值分别增加了33.3%和71.2%,且峰值出现时间分别提前了32.3ms和19.8ms,火焰发展期分别缩短了14.6ms和12ms,快速燃烧期分别缩短了16.6ms和9.8ms。     

利用激波管实验装置研究丙烯/氧气/氮气混合气着火滞燃期

利用双膜化学激波管实验装置反射激波方法测量了丙烯/氧气/氮气混合气在温度范围为1650~1900 K、压力为0.1 MPa下的着火滞燃期.通过对理想激波管内流动状态分析,给出了合适的着火滞燃期定义.实验结果表明:随着初始温度的增加,丙烯/氧气/氮气混合气着火滞燃期缩短,着火滞燃期的对数与温度的倒数成正比,入射激波强度与着火滞燃期的对数成反比;高温条件下,混合气的着火滞燃期随着初始压力的增加而增加,随浓度的增加而缩短;利用多元线性回归方法拟合了C3H6着火滞燃期的Arrhenius型关系式,计算结果与文献中的实验数据具有很好的吻合性.     

液化石油气-氢气-空气层流燃烧特性的研究

研究了定容燃烧弹中不同过量空气系数(0.6～1.4)、掺氢比例(0～60%)和初始压力(0.081～0.124 MPa)下的液化石油气-氢气-空气混合气的层流燃烧现象,分析了过量空气系数、掺氢比例、初始压力等因素对规范化质量燃烧速率、燃烧持续期等层流燃烧特性参数的影响.研究表明:当过量空气系数在0.8～1.0范围内取值时,混合气的规范化质量燃烧速率和压力升高速率取最大值.随着初始压力的降低,规范化质量燃烧速率升高,燃烧持续期缩短,浓燃和稀燃更加明显;随着掺氢比例的增加,压力升高速率增加,混合气的规范化质量燃烧速率增加,燃烧持续期显著缩短,短的燃烧持续期所对应的过量空气系数范围变宽.     

二甲醚-空气-N2／CO2混合气层流燃烧特性研究

利用容弹球形火焰法测量了常温、常压下不同稀释系数、不同当量比时二甲醚-空气-N2／CO2混合气的层流燃烧特性．研究结果表明：拉伸火焰传播速度、无拉伸火焰传播速度、无拉伸层流燃烧速率均随稀释系数的增大而减小．Markstein长度值随稀释系数的增大而增大,二甲醚-空气混合气中加入稀释气后提高了火焰前锋面的稳定性．二甲醚-空气混合气进行少量稀释后即可提高火焰的稳定性,继续增大稀释系数对提高火焰稳定性的作用不明显．无拉伸层流燃烧速率最大值随着稀释系数的增加向浓混合气方向偏移．随着稀释系数的增大,二甲醚-空气-稀释气混合气的稀燃极限向浓混合气一侧移动,浓燃极限向稀混合气一侧移动,可燃范围变窄．CO2作为稀释气对火焰传播速率和可燃区域的影响大于N2作为稀释气对火焰传播速度和可燃区域的影响。