燃用二甲醚柴油机气道-气缸喷射复合燃烧

结合柴油机燃用二甲醚均质冲量压缩着火(HCCI)燃烧与缸内直喷燃烧各自优点,提出了气道-气缸喷射复合燃烧方式,并在一台柴油机上进行了试验研究.结果表明,燃烧过程包括二甲醚HCCI燃烧和缸内喷雾的预混及扩散燃烧,但随预混合率的不同呈现不同特征.随预混合率增加,在平均有效压力为0.12 MPa时,燃烧过程由两阶段发展到三阶段以至四阶段,再经三阶段回到两阶段,气缸压力、温度峰值先减后增,NOx排放单调减小;平均有效压力为0.24 MPa,压力、温度、压力升高率和压力升高加速度峰值以及NOx排放均先减后增;平均有效压力增为0.36 MPa时,最低和最高预混合率分别受到喷油泵供油能力和爆震限制,在能实现的预混合率范围内,压力、温度峰值和NOx排放随预混合率增加而单调增加.     

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.     

二甲醚预混比对预混压燃发动机性能影响的试验研究

在一台由2105柴油机改装成的预混压燃(PCCI)发动机上研究了二甲醚(DME)预混比对燃烧、排放特性以及燃油经济性的影响.结果表明,随着DME预混比的增大,PCCI发动机燃烧始点前移,缸内最高燃烧温度和最大爆发压力均逐渐增大,压力升高率曲线由2个波峰发展成3个波峰,最大压力升高率随着DME预混比的增加先增大后减小再增大,放热过程由2个阶段发展到3个阶段,放热率曲线整体前移,累积放热率逐渐增大且迅速升高的位置前移,整个燃烧持续期逐渐缩短,NOx和碳烟排放量降低,当量燃油消耗率逐渐下降,有效热效率逐渐升高.     

喷射时刻对甲醇热氛围燃烧影响的试验

利用进气预混合二甲醚(DME)在缸内早燃形成的热氛围,研究了不同甲醇浓度下喷射时刻对缸内直喷甲醇热氛围燃烧的影响.结果表明:醇燃料在上止点附近喷射,燃烧过程表现为DME低温放热、高温放热和甲醇扩散燃烧放热3个阶段的分布式放热规律;随甲醇喷射时刻的提前,燃烧变为双峰放热,且第2放热峰值增大.较早的喷射时刻易导致爆震或者失火,燃烧过程较难控制.不同甲醇浓度下喷射时刻对发动机性能和排放特性的影响有所不同.值得注意的是,随甲醇浓度的增大,DME热值比例减小.综合比较,甲醇在上止点前22°CA附近喷射,能获得较好的发动机综合性能.     

直喷发动机燃用天然气掺氢混合燃料的燃烧特性

开展了缸内直喷火花点火发动机燃用天然气掺氢混合燃料燃烧特性和放热过程的试验研究．研究结果表明：在给定喷射脉宽条件下，天然气掺氢比小时，燃烧放热率低，当氢气的体积分数达到10％～18％后，对提高混合燃料发动机燃烧速率有明显效果；火焰发展期、快速燃烧期、燃烧持续期和放热率曲线型心位置对应的曲轴转角随掺氢比增加呈先增加后减小趋势，当氢气的体积分数达到18％时可以缩短火焰发展期、快速燃烧期和燃烧持续期，放热率曲线型心位置对应的曲轴转角靠近上止点；缸内最高燃烧压力、最高燃气平均温度、最大压力升高率和最高放热率随掺氢比的增加呈先减小后增加趋势；天然气掺氢燃烧特性在低转速时比在高转速时受掺氢比的影响大．     

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.     

预混均质充量压缩燃烧发动机燃烧与排放特性

为改善柴油机的燃烧和排放特性,在一台2105柴油机上开展了二甲醚(DME)预混比和废气再循环(EGR)对二甲醚-柴油双燃料预混均质充量压缩燃烧(PCCI)发动机的燃烧与排放特性影响的试验研究,通过在进气道预混DME和缸内直喷柴油实现了PCCI燃烧模式。试验结果表明:随着DME预混比的增加,放热过程由两阶段放热发展到三阶段放热,燃烧始点前移,最高爆发压力逐渐增大且对应的相位不断提前;冷EGR导致的PCCI发动机最高爆发压力下降的程度、瞬时放热率峰值及压力升高率峰值对应的相位滞后程度均随着DME预混比的增加逐渐减弱;随着DME预混比的增大和EGR率的减小,当量有效燃油消耗率逐渐降低,有效热效率逐渐升高;DME预混比和EGR率增大可有效降低NOx排放,但是HC和CO排放有所增加。文中工况下最优DME预混比为30%。     

变组分进气充量对柴油机燃烧和排放特性的影响

在一台单缸风冷柴油机上,采用不同体积分数的富氮和富氧进气,对变组分进气工质的燃烧和排放特性规律进行了归纳分析.结果表明:从富氮状态开始,随着进气工质中O2体积分数的增加,着火延迟期缩短,压力升高率峰值和压力峰值增加,富氮造成的着火延迟效应比富氧造成的着火提前效应更显著,各排放物参数的变化率随进气O2体积分数的变化率均呈现二次多项式关系;在富氧阶段,进气O2体积分数增加降低HC,CO和排气烟度的效果渐趋缓慢,但在富氮阶段,随着富氮程度加大,HC,CO和排气烟度却急剧恶化,而NOx排放则在富氧阶段急剧上升而在富氮阶段下降缓慢;大负荷工况下受供氧制约,进气O2体积分数变化对CO和烟度排放变化率的影响作用增强,而由于小负荷工况下进气O2体积分数变化对缸内温度影响更显著,造成HC和NOx排放变化率更敏感.     

二甲醚/甲醇混合燃料HCCI燃烧特性数值模拟

为了研究混合气浓度及燃料掺混对二甲醚/甲醇混合燃料HCCI（homogeneous charge compression ignition）燃烧特性的影响,对不同过量空气系数和二甲醚掺混比下的醇醚混合燃料HCCI燃烧过程进行了模拟计算,分析了缸内温度、压力、压力升高率、放热率和燃料消耗路径随过量空气系数和二甲醚掺混比的变化关系。结果表明,随过量空气系数增大,缸内压力、温度、放热率和压力升高率峰值减小,相位推迟,过量空气系数太大时,CO的进一步氧化反应会受到阻碍,使缸内产生大量的CO残留;随二甲醚掺混比的增大,缸内压力、温度峰值增大,相位提前,压力升高率和放热率峰值减小;二甲醚HCCI燃烧放热率曲线存在3个峰值,第1个峰值出现上止点前曲轴转角30°,为二甲醚低温氧化放热,对应缸内温度为804 K,第2个峰值出现在上止点前曲轴转角15°,对应缸内温度为1 193 K,为甲醛等中间产物氧化生成CO时放热,第3个峰值为CO氧化,生成CO₂时放热,第2和第3个放热率峰值为二甲醚的高温氧化放热阶段,与甲醇掺混燃烧时,二甲醚的低温氧化反应对混合气的燃烧起到了促进作用。     

柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料的燃烧特性

分析了柴油机燃用柴油/乙醇混合燃料的燃烧特性和放热规律,研究了相同十六烷值条件下混合燃料中含氧量对燃烧特性和放热过程的影响,为柴油机燃用含氧混合燃料提供理论指导和试验依据.研究结果表明:十六烷值改进剂(亚硝酸异戊酯)的体积分数为0.2%时,可使其着火性能与乙醇的体积分数减小10%时的水平相当.当保持十六烷值不变,混合燃料中氧的质量分数提高3.6%,扩散燃烧期和总燃期的曲轴转角平均缩短0.8°,中高负荷放热率曲线型心位置的曲轴转角向上止点平均靠近0.25°,可以认为,试验结果反映了混合燃料含氧量对燃烧的影响.     

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。     

喷射时刻和掺氢比对直喷发动机燃烧特性的影响

在缸内直喷火花点火发动机上对天然气掺混氢气的体积分数为0％～18％的混合燃料不同喷射时刻下发动机的燃烧和排放特性进行了试验研究．研究结果表明：对于给定的喷射持续期和点火时刻，喷射时刻对发动机性能、燃烧和排放有较大影响，喷射太迟燃烧持续期长，放热速率慢，喷射过早会导致充量系数下降；对于给定转速，发动机存在一个最佳的喷射时刻，此时缸内最高压力升高率和最高燃气平均温度高，燃烧持续期短，燃烧过程定容度高，发动机热效率高，HC排放低；在同一喷射时刻下，当氢气的体积分数小于10％时，HC排放略有上升，当氢气的体积分数达到18％时，发动机HC排放与纯天然气排放水平相当；掺氢对NOx、CO和CO2排放影响不大．     

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。     

乙醇汽油双燃料双喷射系统发动机燃油互换的对比研究

将1台GDI(gasoline direct injection)增压发动机改装成乙醇汽油的双燃料双喷射系统发动机,系统地对比研究EPI+GDI(进气道喷射乙醇+缸内直喷汽油)和EDI+GPI(缸内直喷乙醇+进气道喷射汽油)2种燃烧模式对提高发动机燃油经济性、降低气态常规排放和微粒排放的影响规律。研究结果表明:当量比油耗bESFC随乙醇质量分数wethanol的增加逐渐降低;由于乙醇较高的汽化潜热对缸内直喷的充量冷却效果更好,EDI+GPI燃烧模式的燃油经济性比EPI+GDI的好;2种燃烧模式的HC排放量均随wethanol增加而减小;CO排放量随着wethanol增加先减小后增大,但在转折点(wethanol=40%)前,EDI+GPI燃烧模式的CO排放量大;在转折点后,EPI+GDI的CO排放量大;EPI+GDI燃烧模式的NOx排放量随wethanol的增加而增大,而EDI+GPI的NOx排放量呈现相反的趋势;微粒粒径均随着wethanol的增加逐渐降低,乙醇良好的蒸发特性和较高的氧摩尔分数不仅抑制了微粒的生成,而且促进了微粒的氧化;EDI+GPI燃烧模式的微粒排放量明显比EPI+GDI的大。     

米勒循环模式的柴油机性能及NO_x排放的数值研究

为了使非道路柴油机达到第三阶段排放法规的要求,引入米勒循环技术。利用AVL Boost软件建立非道路D6114型柴油机的仿真模型,研究米勒循环对该柴油机的性能和NOx排放的影响。结果表明:进气门关闭正时提前,缸内的气体因膨胀降温过程,使压缩阶段的温度降低,NOx排放最大降低36%,但柴油机功率损失增加、油耗升高;压缩比的提高能改善柴油机的经济性,但同时会导致缸内爆发压力增高,柴油机机械负荷加重;推迟喷油正时可以使燃烧相位后移,缸内爆发压力降低,NOx的排放进一步降低。米勒循环、高压缩比、优化喷油正时等技术的结合,可以实现油耗仅升高2.2%的同时NOx排放降低30%,爆发压力降低2 MPa。该结论可以为非道路柴油机满足第三阶段法规而进行的改进设计提供参考。     

乙醇-柴油在线混合燃料的燃烧排放特性

为了改善柴油机在不同工况时的排放,建立了超声波乙醇柴油在线混合装置,以实现适时混合不同比例的乙醇柴油燃料。在一台柴油机上试验研究了这种在线混合燃料的燃烧与排放特性,结果表明:随着混合燃料中乙醇体积分数的增加,碳烟排放明显降低,其最大降幅达74%,而且燃烧持续期缩短;但在中、高负荷工况NOx排放明显增多,因此尚需采取措施降低乙醇柴油混合燃料燃烧时的NOx排放。在一台可视化发动机上的研究结果表明:随着乙醇体积分数的增加,燃烧持续期也缩短,而且火焰亮度降低,碳烟形成得到了抑制。     

柴油-丙烷发动机不同喷油提前角时的燃烧和排放特性

在一台单缸直喷式柴油机上开展了不同喷油提前角下燃用柴油和柴油-丙烷混合燃料时的燃烧和排放特性研究.研究结果表明:柴油-丙烷混合燃料的燃烧与排放参数随喷油提前角的变化趋势与燃用纯柴油时基本相同;对于给定的平均有效压力,柴油-丙烷混合燃料的放热率峰值和NOx排放随喷油提前角的推迟而减小,而总燃烧持续期、CO、HC和碳烟排放随喷油提前角的推迟而增加;对于给定的平均有效压力和喷油提前角,放热率峰值和NOx排放随混合燃料中丙烷含量的增加而增大,而总燃烧持续期、CO、HC和碳烟排放随丙烷含量的增加而减小.     

初始压力对氢气燃烧影响的试验分析

构建了氢气燃烧试验回路,获得了氢气在不同初始压力下燃烧的温度、压力以及燃尽率等试验数据.通过计算不同位置热电偶温度曲线变化率极值与时间的关系,获取了氢气火焰传播速度,研究了不同初始压力对氢气燃烧火焰传播速度、最高燃烧温度、峰值压力以及氢气燃尽率的影响.结果表明:在氢气体积分数较低时,随着初始压力的升高,火焰传播速度随之升高,燃烧过程中的最高温度随初始压力的增加而逐渐减小;在氢气体积分数较高时,随着初始压力的升高,火焰传播速度略有降低,燃烧过程中的最高温度随初始压力的增加而增加,但是初始压力对燃烧过程中的最高温度的影响并不明显,峰值压力随初始压力的升高而升高,初始压力对氢气燃尽率没有影响.     

掺烧布朗气对轻型车加速过程排放的影响

考虑到布朗气具有内爆及催化等特性,以柴油机轻型车为研究对象,将布朗气引入柴油机进气总管,参与缸内燃烧,以研究布朗气对轻型车加速过程中排放性能的影响.在转毂试验台上,测量了掺混布朗气前后的轻型车NOx,THC,CO排放随整车加速过程的变化情况.结果表明:车速从13km·h-1加速到27 km·h-1的过程中,NOx体积分数下降4.8%,THC体积分数不变,CO体积分数升高5.6%;车速从23 km·h-1加速到40 km·h-1时,NOx体积分数下降4.1%左右,THC体积分数变化不明显,CO体积分数升高4.0%左右;由40 km·h-1加速到62 km·h-1的过程中,NOx体积分数下降8.1%,THC体积分数降低5.3%,CO体积分数降低3.0%.     

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．