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).     

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.     

纯甲醇发动机均质压燃燃烧特性模拟

以甲醇为燃料,模拟研究了进气温度、过量空气系数、压缩比、EGR率等参数对均质充量压燃(HCCI)发动机燃烧特性的影响,同时确定了HCCI可行的工作范围.采用单区燃烧模型和详细化学反应动力学机理通过CHEMKIN软件模拟了甲醇发动机的燃烧特性.计算结果表明:随着进气温度和压缩比的升高,燃烧始点提前,燃烧持续期缩短,缸内温度、压力、燃烧放热率和压力升高率均升高;过量空气系数对燃烧始点影响很小,对燃烧持续期有一定影响;随着EGR率的增加,着火时刻推迟,燃烧持续期增加,缸内温度、压力、燃烧放热率和压力升高率均降低.发动机转速为1 500 r/min,不使用EGR、过量空气系数为5～9时,可以实现HCCI燃烧,随着EGR率的增加,HCCI燃烧区范围变窄.     

二甲醚燃烧机理的简化及其均质压燃燃烧验证

摘要： 基于积分计算奇异摄动法简化了二甲醚骨架机理,构建了包含24种物质和20个反应的二甲醚简化机理,并采用发动机单区模型进行验证.结果表明：所提出的二甲醚简化机理具有Curran等提出的详细机理的低温反应、负温度系数区、甲酸生成与消耗过程、高温反应等特征,而且与Curran等提出的详细机理的计算结果较吻合,表明其适用于二甲醚均质压燃过程的模拟计算;利用重要性因子进一步“修剪”后的二甲醚简化机理的适用性较差,表明原二甲醚简化机理的简洁度较高.     

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。     

均质压燃的燃烧循环变动试验

为研究均质压燃的燃烧循环变动规律，在单缸发动机上进行了不同辛烷值燃料的均质压燃试验．结果表明，在恒定的平均指示压力下循环变动随辛烷值的增大而增大，在恒定的辛烷值下循环变动随平均指示压力的增大而减小；对于高辛烷值燃料，转速对循环变动的影响非常明显，尤其在较高转速时，循环变动随转速的升高急剧增大；在不发生爆震的情况下，燃烧效率、指示热效率以及HC和CO排放随循环变动的减小而改善，而NOx排放几乎没有变化，但一旦出现爆震情况，则指示热效率降低，NOx排放急剧升高．     

纯氧氛围下正庚烷均质压燃燃烧特性

基于一台双缸柴油机,结合自行设计开发的纯氧进气系统进行试验,研究了不同进气氧体积分数对正庚烷均质压燃燃烧过程及稳定性的影响。试验结果表明,随着混合气中氧体积分数降低,二氧化碳体积分数增加,缸内平均比热容不断增大,使得缸内最高燃烧温度降低,其对应的峰值相位推迟,燃烧始点推迟,放热率峰值下降,热效率降低;同时发现随着二氧化碳体积分数的增加,缸内温度会随之降低,使得燃烧循环不稳定性增强。以上现象均表明较高的二氧化碳体积分数能够有效抑制纯氧氛围下正庚烷均质压燃。此外,试验发现了纯氧氛围下正庚烷均质压燃负温度系数区间持续时间大幅缩短现象。     

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．     

二甲醚甲醇复合燃烧的燃烧特性研究

在进气道喷入二甲醚(DME),利用DME较易压燃的特点,引燃往缸内直喷的甲醇,本试验研究了甲醇的喷油时刻对燃烧特性的影响.结果表明:在小的喷油提前角下,燃烧过程由DME的低温燃烧、高温燃烧和甲醇的扩散燃烧组成;在中间喷油提前角较小负荷下,燃烧模式以甲醇的预混燃烧为主;在较大负荷下,燃烧模式以甲醇的扩散燃烧为主;在较大喷油提前角下,甲醇以预混燃烧模式为主.在大喷油提前角下,放热率具有DME/甲醇双燃料HCCI燃烧的特性.     

压燃式纯甲醇发动机的试验研究

对双缸柴油机上直喷压燃方式燃烧纯甲醇的燃烧特性进行了研究。根据甲醇燃料 汽化潜热大、自燃温度高、直接田燃困难等特点，采用提高压缩比进气加热等措施， 成功地使纯甲醇在直喷田燃方式下获得了稳定运转。结果表明，这种甲醇燃烧方式能 有效地降低柴油机的ＮＯｘ排放量，其能耗率与现有柴油机基本相等，并就这种新型 甲醇代用方式的燃烧过程示功图、放热率、滞燃期及热效率等特点与柴抽相比较，进 行了较深入的分析探讨。     

压缩比对均质充量压缩着火发动机性能影响的研究

在一台TY1100单缸发动机上试验研究了8 0、10 7、14 0三种压缩比对均质压燃二甲醚发动机的动力性和经济性等运转特性的影响.研究结果表明:均质充量压缩着火发动机的最佳工作范围与发动机转速混合气过量空气系数和负荷有密切的关系;在发动机试验条件下,三种压缩比均能使发动机稳定工作,但低压缩比时工作区域狭窄,高压缩比时发动机的有效功率和热效率降低,压缩比为10 7时运转范围宽,热效率较高.研究发现,通过提高发动机转速可使发动机工作区向高负荷区扩展.     

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.     

实时燃料设计的均质充量压缩着火燃烧与排放的试验研究

根据燃料设计的思想,提出了混合燃料比例实时优化的均质充量压缩着火(HCCI)燃烧控制新方法,并在HCCI单缸发动机上进行了HCCI异辛烷/正庚烷实时控制试验.结果表明:混合燃料HCCI着火以及燃烧相位主要取决于正庚烷实际的燃空当量比;异辛烷的加入对爆震当量比界限有所拓展,但HCCI爆震主要与混合燃料总当量比有关;随着辛烷值比例的提高,导致HCCI运行范围变窄,但是实时调控证明相对纯正庚烷,混合燃料的HCCI燃烧最大负荷提高了80%.试验证明了实时优化控制HCCI燃烧和降低排放的可行性.     

轻型直喷柴油机燃用二甲醚性能和燃烧特性研究

研究了柱塞直径、喷嘴形式、供油提前角、喷嘴伸入汽缸长度、喷油压力、进气涡流比等燃烧系统主要参数对发发动机性能的影响,测录了示功图和喷油器针阀升程以及污染物排放,计算了发动机的燃烧特性,并与发动机燃用柴油时进行了对比等发动机性能研究表明：与柴油相比,二甲醚的热效率,降低ＮＯｘ排放、实现无烟燃烧、燃烧特性分析结果表明：二甲醚的喷油延 角大于柴油的喷油延迟角,二甲醚的滞燃期比柴油短,预混燃烧量少,扩散燃     

“发动机原理”均质充量压燃燃烧的仿真教学设计

“发动机原理”课程中的均质充量压燃燃烧涉及大量化学动力学机理,学生理解较为困难,运用Chemkin软件搭建发动机均质充量压燃燃烧的仿真实验模型,通过修改相应参数,得到不同初始条件下的放热率、缸内温度、缸内压力等仿真结果,针对仿真结果进行分组讨论,得到相应结论,并将燃料扩展到天然气,分析参数变化对天然气发动机均质充量压燃燃烧的影响,激发了学生的兴趣,加深了学生对教学内容的理解。     

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.     

废气再循环对均质压燃发动机燃烧的影响

摘要：
废气再循环(EGR)技术对多缸均质混合气压燃(HCCI)发动机的燃烧有着重要影响.文中在优化热管理技术(OKP)型HCCI发动机上对EGR进行了实验研究.结果表明：EGR在OKP型HCCI发动机中可以推迟燃烧相位,降低燃烧速率,可以用于负荷的拓展;不同负荷下采取合适的EGR比例,可以提高平均指示压力;多缸发动机各缸存在固有差异,进气温度的差异导致各缸循环变动有差异;随着废气再循环率的升高,多缸的循环变动增加,各缸的循环变动差异进一步增大. 关键词：
汽油机; 均质混合气压燃; 废气再循环; 循环变动; 缸间循环波动 中图分类号： TK 411
文献标志码： A