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.     

甲醇空气预混层流燃烧的简化化学反应动力学机理

基于甲醇氧化的详细反应历程,利用敏感性分析的方法,提出了一个用于描述甲醇空气预混层流燃烧速度的包含18种组分、28步基元反应的简化化学反应动力学机理.研究发现,在甲醇的氧化过程中,甲醇的分解反应及H、OH等自由基的链锁反应具有十分高的敏感性,其中HCO+M和H+O2分别是产生H、OH自由基的主要反应.计算结果与实验结果对比表明,该简化机理可以较合理地模拟当量比为0.6～1.2以及不同初始温度下的层流燃烧速度和火焰结构.与详细机理相比,该机理更适合与CFD三维数值模拟软件耦合.     

甲醇简化机理及其在HCCI燃烧分析中的应用

采用敏感度分析法对甲醇详细机理进行简化,提出一个可用于均质充量压缩点火(HCCI)燃烧过程的甲醇简化动力学模型,包括16个物种17个基元反应,涉及甲醇的氧化反应、甲醛和CO的生成子模型.应用该简化机理模型对甲醇HCCI发动机的燃烧与排放特性进行的算例分析表明,简化机理模型在燃烧放热特征时刻、燃烧累积热效应以及发动机缸内温度和压力曲线的预测值均与详细机理模型的计算值较为符合,计算时间缩短.     

高炉煤气燃烧反应的敏感度分析

对详细化学反应机理的简化是高炉煤气燃烧模拟的一个重要步骤.使用CHEMKIN软件,针对一维稳态层流预混燃烧模型,通过分析高炉煤气内主要组分在各个基元反应中对燃烧速率的影响,将详细化学反应机理简化为高炉煤气燃烧的基干机理.将化学反应简化机理与详细机理的计算结果进行对比验证,用详细反应机理计算高炉煤气燃烧反应的时间为18s,而使用简化反应机理的计算时间则不到1s.组分摩尔分数差值不超过0.4%,验证了简化机理的可靠性.     

采用自定义阈值的计算奇异扰动在构建二甲醚简化机理上的应用

将自定义误差阈值的计算奇异扰动(CSP)应用于包含55种物质和290步反应的二甲醚的详细机理上，构建了包含26种物质和20步反应的简化机理.开发了一套基于该算法的计算机程序--I-CSP.程序的输入数据包括:① 详细的反应机理；② 在Chemkin中计算的结果；③ 准稳态物质的数量.然后,将简化机理在均匀的反应器(包括自燃反应器和完全搅拌器)中进行验证.结果发现，计算结果与详细机理相比符合得相当好; 但当在非均匀反应器(一维、稳态、自由扩展预混合火焰)中验证时，结果显示出一定偏差.     

甲烷/空气燃烧简化机理及其应用

为了找到适合活塞式发动机甲烷燃烧的化学反应动力学简化机理,从甲烷燃烧详细化学动力学机理出发,利用敏感性分析法,分析了包括多个不同组分的22步、39步、51步和58步基元反应的4种不同简化机理,并根据活塞式发动机的燃烧特点,将这4种简化机理应用于均匀搅拌反应器模型内甲烷/空气预混燃烧过程的计算中。研究结果表明:与详细反应机理的计算结果相比,当采用较少步数的22步基元反应的简化机理时,计算得到的燃烧温度结果误差较大,且出现明显的峰值后移现象,计算误差最大可达到12.5%。但随着采用基元反应简化机理的步数增加,这些误差明显减小。当采用58步基元反应的简化机理时,计算得到的出口温度和主要组分物质的量浓度随当量比变化的结果,与详细反应机理计算得到的结果基本吻合,最大误差不超过1%。这说明58步的基元反应简化机理包括了主要的反应式,计算结果具有足够的精度,可以很好地预测甲烷/空气预混燃烧现象。     

二甲醚发动机燃烧过程的数值模拟

通过建立二甲醚发动机燃烧模型并耦合入KIVA程序中,使其具有二甲醚发动机燃烧过程的数值模拟能力.用数值模拟仿真计算二甲醚发动机燃烧过程,得到缸内炭烟生成量、NOx排放量、不同燃料防热率等实时数据信息.研究结果表明,仿真结果与试验结果相同,基本反映二甲醚发动机燃烧过程的主要规律.经过与原柴油机工作情况的对比分析,表明二甲醚发动机排放性能较好.     

甲醇／二甲醚双燃料复合燃烧过程的多维数值模拟

采用计算流体动力学耦合简化动力学模型研究了甲醇喷射时刻对甲醇／二甲醚（DME）双燃料复合燃烧过程的影响机理．结果表明,甲醇在上止点前26°CA喷射,对DME低温反应几乎没有影响,但对DME高温反应有明显的促进作用,DME和甲醇的高温反应几乎同时发生;甲醇在上止点前26°CA喷射,高温燃烧区集中在燃烧室内部,导致大量的NO生成;而甲醇在上止点前6°CA喷射,高温燃烧区分散在压缩余隙和燃烧室内壁附近,NO生成量明显降低,但燃烧持续期延长．甲醇喷射时刻的合理选择是复合燃烧取得最佳综合性能的关键．     

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。     

甲醇重整气发动机HCCI燃烧的数值模拟

对甲醇重整气发动机的HCCI燃烧过程进行模拟计算,找出其化学反应路径,探讨利用增压实现甲醇重整气HCCI燃烧的可行性.采用单区模型和详细化学反应动力学机理模拟燃烧,比较计算结果与试验结果,验证模型正确性;分析主要中间产物生成率的变化,确定关键反应,得出主要反应路径;计算增压对放热率、缸压、指示功率的影响.研究表明,甲醇重整气的HCCI燃烧呈单阶段放热,计算的着火时刻、缸内压力和NOx排放与试验值吻合;OH、H、O、HO2和H2O2是关键中间产物,它们的生成和消耗构成循环,是燃烧的主要路径;对进气适当增压可保证压燃进而省掉进气加热器并能提高指示功率,增压比过低、过高或进气中冷均不可取.     

二甲醚均质压燃燃烧化学反应动力学机理数值模拟

应用单区燃烧模型对二甲醚(DME)均质压燃燃烧(HCCI)的化学反应动力学过程进行了数值模拟研究.通过分析在内燃机压燃燃烧边界条件下DME燃料氧化反应过程中的关键基元反应速度、关键中间产物以及自由基的浓度随曲轴转角的变化,得到了DME燃料燃烧氧化的反应途径.结果表明,DME燃料均质压燃燃烧具有明显的两阶段放热特性,即低温反应放热和高温反应放热;燃料脱氢产物的两次加氧反应是低温反应发生的关键;脱氢产物的第一次加氧反应转向脱氢产物的裂解反应是高温反应的主要途径.DME低温反应阶段的主要氧化产物包括甲醛(CH2O)和甲酸(HOCHO).     

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．     

二甲基醚发动机HCCI燃烧与排放的计算

构建了可应用于均质充量压燃（HCCI）发动机的二甲基醚（DME）详细化学反应动力学M燃烧模型，该模型包含97种物种和457个基元反应．拓展M模型的应用范围，分析了DME发动机HCCI条件下关键基元反应和重要物种随曲轴转角的变化关系，获得了DME氧化反应的主要历程．研究了NOx的生成机理，结果表明NOx排放中NO生成量达到最大值后出现“冻结”现象，NO2与N2O最终排放浓度极少且受缸内温度影响不大．随着缸内温度的增加，NOx排放中NO所占比例逐渐增加．基于化学反应速率及敏感度分析，得到了DME发动机HCCI燃烧的NO排放主要受扩大Zeldovich机理和N2O途径控制．     

直喷式柴油机二甲醚喷雾燃烧的多维模型研究

使用KIVA程序模拟了小型直喷式柴油机燃用二甲基醚(DME)的喷雾燃烧过程，其中的喷雾模型包括喷嘴空穴流动、射流雾化、液滴破碎和喷雾碰壁等子模型．对燃烧过程，采用了一个简化的化学反应机理和新型的湍流模型——部分搅拌反应器(PaSR)模型，考虑了湍流混合作用对燃烧速率的影响、由计算所得的缸内压力和放热率曲线与试验值符合较好，并分析了缸内瞬态温度场和喷雾粒子轨迹的变化历程．结果表明，柴油机燃用DME时，其燃烧系统需要进行必要的优化．     

二甲醚/甲醇均质压燃的燃烧特性

为开究二甲醚/甲醇均质压燃的燃烧特性，在单缸发动机上进行了二甲影甲醇均质压燃的试验研究．结果表明，随二甲醚浓度增加，主燃烧时刻提前，燃烧持续期缩短，放热率峰值升高；随甲醇浓度增加，低温反应变得不明显，主燃烧时刻推迟，燃烧持续期延长，因此通过调节2种燃料浓度可以有效控制均质压燃燃烧过程．在均质压燃正常燃烧范围内，燃烧效率和指示热效率随二甲醚浓度的增加而提高，随甲醇浓度的增加而降低，通过采用较浓的二甲醚可以获得比较高的指示热效率值，试验中在较高负荷采用高浓度二甲醚时，指示热效率达到48％．     

以二甲醚为还原剂的氮氧化物存储还原试验研究

试验研究了以Pt/Co-BaO/γ^- Al₂O₃为催化剂、二甲醚（DME）为还原剂的NOx储存还原（NSR）性能,以及还原时间和温度对NSR的影响规律,并通过程序升温脱附和程序升温表面反应分析了DME对其存储NOx热稳定性的影响.结果表明,在等温DME-NSR循环过程中,NOx的转化效率保持在60%~70%以上;DME能够促进催化剂中硝酸盐的分解和NOx的脱附,并还原NOx.     

二甲醚HCCI发动机微量排放物的研究

根据优化气相色谱仪工作条件,对二甲醚均质充量压燃(HCCI)发动机排气中的甲醛和甲酸甲酯进行了检测.通过二甲醚简化反应机理与Fluent的耦合联算,以及结合Woschni传热模型和DME详细反应机理的Chemkin反应动力学数值模拟,对二甲醚HCCI发动机的燃烧过程及其微量排放物(甲醛、甲酸和甲酸甲酯)进行了预测分析.结果表明:在一定条件下,甲醛、甲酸和甲酸甲酯存在于排气中,其排放量均随过量空气系数的减小而减小,发动机转速、进气温度和压力对其影响也很大.