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．     

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.     

小分子含氧燃料对正庚烷燃烧碳烟前驱物的影响

为了探讨含氧燃料/正庚烷燃烧过程中芳香烃(PAH)的形成过程,深入理解含氧燃料对柴油机颗粒形成的影响,采用化学动力学软件构建了含氧燃料/正庚烷/PAH着火燃烧模型。在类似柴油机燃烧的条件下,研究添加小分子含氧燃料二甲醚、甲醇和乙醇对正庚烷燃烧过程中碳烟前驱物芳香烃的影响。研究结果表明:随着燃料中氧含量的增加,不完全燃烧中间产物C2H2、C2H4含量和芳香烃含量逐渐降低;二甲醚和乙醇的含氧量相同,但由于其分子结构中氧原子位置的不同,导致燃料碳的迁移路径不同,最终使得二甲醚降低PAH的能力强于乙醇;虽然甲醇、乙醇有相同的含氧官能团,但得益于甲醇分子没有C-C结构,使得甲醇降低PAH的能力要强于乙醇。     

正庚烷/柴油双燃料复合HCCI燃烧的试验研究

通过在进气道预喷正庚烷,在上止点前缸内直喷柴油压燃,试验研究了不同预混合比例和不同负荷下的正庚烷/柴油双燃料复合HCCI燃烧和排放特性.结果表明:复合HCCI的热效率和原机柴油直喷压燃模式相当,并且可以在全负荷范围内有效降低原机的Nox排放,在大负荷时采用较小的预混合率还可以同时降低碳烟排放;与常规HCCI相比,显著降低了HC排放,同时在中低负荷对降低CO排放也有明显效果.     

正庚烷液滴在惰性多孔介质内的燃烧

多孔介质内燃机具有高效、低污染而且实用的潜在优点.我们用零维模型加详细化学反应机理来模拟正庚烷(C7H16)液滴在惰性多孔介质内的定容点火过程.气固、气液之间的对流换热系数,气液之间的对流传质系数均由经验公式给出;液滴表面的化学平衡服从Raoult定律;假定多孔介质内为均匀各向同性黑体辐射场.研究表明,正常工况下多孔介质(PIM)可看作恒温热源,PIM能大大缩短点火延迟期,有利于内燃机的点火控制;同时能大大降低点火阶段的压升速率,减轻噪音.总体上污染物浓度较低.     

正庚烷HCCI燃烧下多环芳烃生成机理与影响因素分析

通过修改化学动力学软件SENKIN,建立了正庚烷均质充量压缩点燃(HCCI)燃烧过程数值模拟的单区模型.利用此模型对正庚烷HCCI燃烧下芳烃(苯、萘、菲及芘)的生成及演变规律进行了详细分析.同时,分析了过量空气系数、进气初始压力和发动机转速对多环芳烃形成规律的影响.计算中采用了正庚烷的燃烧与分解、多环芳烃生成的详细反应机理(共包括107种组分、542个基元反应).结果表明,在低温反应阶段并没有苯(A1)、萘(A2)、菲(A3)、芘(A4)生成;当进入高温反应阶段后,苯、萘、菲、芘的浓度迅速升高至峰值,然后均陡直下降为零.随着过量空气系数的增大,苯的摩尔分数峰值降低,但菲的摩尔分数峰值变化较小.同时,苯、萘、菲的摩尔分数随进气初始压力的降低而降低;随着发动机转速的下降,苯的摩尔分数先降低后增加,萘的摩尔分数却是先增加后降低,而菲的摩尔分数却持续降低.     

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.     

甲烷和正庚烷的爆炸特性试验

为有效防止工业生产中气体和液体(蒸气)爆炸事故的发生,需要获得相关物质的爆炸特性参数.对此,基于传统的20 L球形爆炸测试装置,对宏观静止和流动状态下甲烷和正庚烷的最大爆炸压力(pmax)、最大爆炸压力上升率((dp/dt)max)和爆炸指数(KG)进行了测量和分析.结果表明:在2种状态下,甲烷的pmax和(dp/dt...     

正庚烷-甲烷二元燃料着火特性的模拟研究

针对试验中发现的柴油引燃天然气会推迟着火的现象,采用零维模型定量分析了由于加入甲烷所引起的混合气氧分压、定容热容以及化学动力学反应的变化对正庚烷着火的推迟作用,表明了动力学反应的变化对着火推迟有着重要的影响.其次,通过对二元燃料详细机理的耦合分析,对二元燃料动力学反应在着火推迟中的作用机理做出了解释.发现在低温氧化过程中,由于甲烷将活跃的OH转化为稳定的H2O2,同时甲烷不具备与正庚烷类似的低温链分支反应,故降低了系统的反应活性.随着初始温度增加至超过1,000,K,H2O2开始迅速分解,控制着火的重要反应也随之由正庚烷二次加氧后的链分支反应,逐渐向着反应H2O2=OH+OH、CH3+HO2=CH3O+OH、H+O2=OH+O转变,动力学反应对正庚烷着火的影响也由抑制转变为促进.最后,创建了一个包含53步反应、36种组分的简化机理.计算结果表明,该机理在不同初始温度、初始压力、当量比的情况下,可以对二元燃料着火时刻有较好的预测.     

发动机燃用乳化柴油的颗粒粒径分布特性

对一台涡轮增压柴油机燃用纯柴油和乳化柴油时的颗粒数量粒径分布、总颗粒、核态颗粒及聚集态颗粒数量和体积浓度进行了试验研究.试验燃料为纯柴油E0和E10,E15及ED乳化柴油.试验结果表明:发动机燃用乳化柴油时,颗粒数量粒径呈单峰或双峰对数正态分布,数量浓度峰值出现在粒径为10～20nm;与纯柴油E0相比,核态颗粒数量和体积浓度增大,聚集态颗粒数量和体积浓度减小,而总颗粒数量浓度增大、体积浓度减小.     

EGR对柴油机燃烧影响模拟

 废气再循环（EGR）作为控制缸内NOx生成的一项技术已广泛应用在现代直喷柴油发动机上。但EGR对氮氧化合物（NOx）、碳烟（Soot）排放的影响原因尚未被完全理解。为了全面分析EGR的特性,建立了基于GT-POWER的柴油机仿真模型。根据柴油机的基本结构,该模型为带有EGR系统的增压直喷柴油机一维流体动力学循环仿真模型。在分别固定进气压力和空燃比两种情况下,对EGR影响柴油机燃烧的特性进行了研究。结果表明,在恒定进气压力和EGR温度的情况下,随着EGR率的升高,缸内压力升高率减小,最高缸内爆发压力降低,燃烧放热始点推迟,燃烧峰值放热率升高。EGR导致Soot升高燃油经济性降低。在恒定进气空燃比和EGR温度的情况下,随着EGR率的升高,缸内压力的升高使燃烧放热始点提前,废气的惰性气体特性延缓燃烧成为次要因素。EGR的加入使燃烧恶化放热率降低。缸内的燃烧温度降低,减少了NOx的生成。小EGR率可以改善Soot的排放情况。所以在不同的边界条件下引入EGR的作用不同,在EGR控制策略中,利用控制进气空燃比的EGR控制方法并没有完全利用EGR特性,应该形成分别控制空气质量流量和EGR率的气路控制策略。在恒定EGR率的情况下,EGR温度的升高缩短了燃烧滞燃期,燃烧始点提前放热率峰值降低。最终缸内气体温度升高,NOx排放升高,Soot有轻微的改善,表明为了更好控制EGR系统,应对EGR温度进行控制。     

柴油机燃烧模式切换过程燃烧特性变化试验

为研究柴油机在传统燃烧与低温燃烧的燃烧模式切换过程中,如何识别缸内当前所处的燃烧模式,以及不同喷油参数在不同的燃烧模式对燃烧特性参数的影响,在一台高压共轨柴油机1 500 r·min-1、30%负荷下采用燃油单次喷射、调节EGR率方式实现燃烧模式切换并进行了试验研究.结果表明,EGR率从0增加到55%,缸内燃烧起点位置稍有后移,但变化不大,当EGR率超过45%后,缸内开始进入低温燃烧模式,瞬时放热率曲线初始上升过程,由于冷焰反应持续期增加导致出现的二阶段滞燃,可以作为识别当前的燃烧模式的特征,控制缸内燃烧模式;喷油相位从-14°CA ATDC推迟到-7°CA ATDC,对传统燃烧模式滞燃期和燃烧持续期的影响较小,但对低温燃烧的燃烧持续期影响较大,同时,当喷油相位推迟到-7°CA ATDC时,缸内接近失火;喷油压力从75 MPa提高到140 MPa,在传统和低温燃烧模式均可以改善发动机的油气混合程度,缸内最大爆发压力及瞬时放热率峰值增加,指示热效率有所增加,但幅度变化不大.      

直喷式柴油机燃用F-T柴油时燃烧特性的研究

根据实测的喷油器针阀升程和示功图，对一台单缸、直喷式柴油机燃用Fischer—Tropsch（F—T）柴油时的燃烧放热规律进行了计算，并系统分析了其燃烧特性．研究结果表明：与0号柴油相比，F—T柴油的喷油延迟角和喷油持续期稍长，滞燃期平均缩短了18．7％，预混燃烧放热峰值平均降低了26．8％，扩散燃烧放热峰值较高，快速燃烧期较短，燃烧持续期相当；燃用F—T柴油时的最高燃烧压力略低，最大压力升高率显著降低，燃烧噪声和机械损失较小，有效燃油消耗率和有效热效率得到了改善．     

连续再生颗粒捕集器对柴油机颗粒排放的影响

以某重型柴油机为原机,研究氧化催化转化器(DOC)与催化型颗粒捕集器(CDPF)耦合而成的连续再生颗粒捕集器(CR-DPF)对柴油机颗粒排放规律的影响.研究结果表明,CR-DPF的安装导致排气温度升高;原机测点颗粒数量浓度呈双峰对数正态分布,CR-DPF的前测点为三峰对数正态分布,后测点则呈多峰对数正态分布;前测点粒径小于191nm颗粒数量浓度及核态颗粒数量浓度分数均高于原机测点;CR-DPF除对7~15nm粒径颗粒的捕集效率相对较低,对其他粒径颗粒具有显著的降低作用;对聚集态颗粒的捕集效果优于核态颗粒,导致后测点核态颗粒数量浓度分数高于前测点.     

不同排气系统对涡轮增压柴油机性能的影响

以某增压中冷柴油机为研究对象,利用GT-POWER软件建立了该增压中冷柴油机工作过程仿真模型,并根据试验数据进行了校核计算.在上述工作的基础上,对增压柴油机的三脉冲排气系统进行了改型设计,建立了MPC排气系统和定压排气系统仿真模型,验证了模型的有效性.通过对三种排气系统的仿真及对比分析,表明MPC及定压排气系统选取合理的较小排气管径能够降低发动机油耗,减弱涡轮进口压力脉动,保证较高的涡轮效率和功率输出;发动机额定工况下,三种排气系统对发动机及涡轮性能的影响存在明显差异,三脉冲系统的发动机性能优于MPC与定压排气系统;发动机中低转速时,MPC系统使得涡轮效率较三脉冲与定压系统有所提升.      

进气富氧对直喷柴油机微粒排放粒径分布的影响

在一台增压中冷四冲程柴油机上进行进气富氧燃烧台架实验,用氧气流量阀和氧传感器控制进气氧浓度,用DMS500粒径分析仪检测排气粒径分布特性,研究进气富氧燃烧对柴油机排气微粒特性的影响.在稳态工况下,研究了进气氧体积分数分别为21%、22%、23%和24%时柴油机微粒排放质量浓度粒径分布、数量浓度粒径分布、几何平均直径、表面积浓度和体积浓度分布.实验结果表明:在固定工况下,随着进气氧浓度增加,积聚态微粒数量和质量浓度峰值明显降低,核态微粒数量浓度逐渐增加;微粒几何平均直径减小,小粒径微粒数量增多;微粒表面积浓度和体积浓度也随之降低.     

弱含氧燃料组分在柴油机上的燃烧过程与排放特性

通过在体积分数为90％的柴油中分别掺混10％生物柴油、10％DMC,连同柴油组成B10、D10和柴油3种燃料．考察了低比例含氧燃料对柴油机燃烧过程、经济性和排放性的影响．试验结果表明：标定工况下,2种舍氧燃料对柴油机缸内最大爆发压力和压升率峰值影响不大,而DMC的加入使DIO的放热峰值明显升高;和柴油相比,BIO的滞燃期缩短约1℃A．而D10的滞燃期较原机状态延长约2℃A。可见DMC造成的着火延迟效应要比同比例生物柴油造成的着火提前效应更为明显：B10的燃油消耗率与柴油基本相当。而DIO的燃油消耗率明显上升;发动机燃用B10时。除NOz在全负荷时升高7．9％外,CO、HC和烟度排放相对有所降低,而混合燃料中DMC的引入虽不利于HC和CO的氧化．但可消除柴油机燃用石化柴油时NOx和烟度排放此消彼长的关系,D10的NOx和烟度排放平均要比柴油分别降低约13．1％和17．7％．综合来看．在柴油中添加低比例生物柴油或DMC可在几乎不影响柴油机性能的基础上部分实现对柴油的完美替代．     

缸内直喷液化石油气/柴油混合燃料发动机燃烧特性研究

根据实测示功图,系统分析了柴油中掺混不同比例的液化石油气(LPG)时发动机的燃烧放热规律.研究结果表明:混合燃料中LPG的质量分数小于10%时,其燃烧放热规律与纯柴油基本相同,随着LPG质量分数的增大,最高爆发压力和压力升高率降低,对应的曲轴转角滞后;当发动机转速较低时,在LPG质量分数大于20%后,混合燃料的燃烧始点比纯柴油延迟7°~11°,最高燃烧放热率略高于纯柴油,对应的曲轴转角滞后,预混合燃烧量增加,扩散燃烧量减小,燃烧持续期缩短约6°~9°;当发动机转速较高时,在LPG质量分数大于20%后,混合燃料的燃烧始点比柴油延迟11°~13°,最高燃烧放热率远低于纯柴油,燃烧持续期延长约22°~25°;在不优化发动机供油提前角等参数时,LPG的质量分数不宜高于20%.