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.     

自由活塞初速度对微发动机燃烧特性的影响

根据自由活塞发动机的动力学特点,提出单次冲击微型均质充量压燃（HCCI）自由活塞发动机工作过程的模拟方法,并对目前定容燃烧模型进行一定的修正．考虑自由活塞的动能变化对燃烧参数的影响,提出自由活塞截断速度的概念,比较改进后的燃烧模型与目前的定容燃烧模型的计算结果,显示出改进模型的合理性．同时运用改进模型对HCCI自由活塞发动机不同初始速度下的燃烧特性进行模拟,得到了工作压力、温度、着火时刻的变化规律,以及自由活塞运动特性,为该微动力装置的设计提供了理论依据．     

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．     

增压汽油机面向控制的充量模型及其数值标定

缸内进气量作为电控系统喷油和空燃比前馈控制的基础，对扭矩控制和排放性能至关重要。为了更简便、准确地估算缸内进气量，提出一种面向控制的充量模型，并基于Simulink软件完成该模型的搭建。引入GT-POWER仿真工具辅助标定，完成对充量模型中进气道传热因子、缸内驻留废气关键参数和气门实际流通面积的标定。最后将充量模型计算结果分别与仿真结果及台架试验结果验证对比，提出的充量模型稳态进气量的计算误差均在5%以内，表明提出的充量模型为发动机系统控制提供了一种较为可行的方法。     

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.     

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．     

乙醇HCCI发动机微量排放物的模拟

为了研究乙醇均质充量压缩点燃(HCCI)发动机在缸内和排气管道中微量排放物CH2O(甲醛)、CH3HCO(乙醛)和HCOOH(甲酸)的形成演变过程,提出了乙醇简化反应机理与FLUENT软件耦合计算的方法,对乙醇HCCI发动机燃烧过程产生的微量排放物在缸内和排气管中的变化和分布进行了分析预测,同时还分析了不同当量燃空比和废气再循环率对甲醛和乙醛排放量的影响.结果表明:甲醛和乙醛是乙醇燃烧反应过程中的低温产物,缸内甲醛和乙醛的最终排放量随着当量燃空比的增加而减小,随着废气再循环率的增大而增加.     

天然气掺氢发动机性能试验

以台架实验的方法,对发动机燃用天然气(CNG)和天然气掺氢(HCNG)燃料的动力性和排放性能进行了对比研究.结果表明,发动机燃用天然气掺氢燃料能够加快缸内燃烧过程,改善CNG发动机稀燃性能,降低发动机排温.与纯天然气发动机相比,其排放物CO、CO2、HC得到降低,同时NOx排放量增加,但随着过量空气系数的增大,发动机NOx排放大幅减少,得到较优的排放性能.     

天然气发动机燃烧和排放数值模拟与试验研究

针对一台燃用天然气的自然吸气汽油发动机,应用CFD三维计算软件CONVERGE建立了燃烧过程和氮氧化物生成的仿真计算模型,模拟了天然气发动机的燃烧和NOx排放物的形成,并对计算结果进行了试验对比和验证.研究结果表明,CONVERGE软件建立的模型能够对燃烧过程和氮氧化物排放量进行较为准确的计算,缸内压力曲线与NOx排放量与试验结果吻合较好.     

通道尺寸对热面点火天然气发动机工作过程的影响

针对缸内直喷压燃式天然气（CNG）发动机低负荷循环波动大及高负荷NOx排放偏高的问题,设计开发了涡流室式热面点火燃烧系统,研究了涡流室通道尺寸对缸内天然气空气混合气形成、着火燃烧及发动机运转特性的影响．结果表明：选择直径较大的涡流室通道,发动机起动性能较好且缸内混合气燃烧持续期短,对改善发动机的有效热效率有利;选择直径较小的涡流室通道,主副燃烧室内混合气的浓度分层效果明显,能够实现两级燃烧过程,有利于降低发动机循环波动,扩展功率范围及改善NOx排放。     

甲醇均质压缩燃烧缸内取样及检测分析方法

为研究均质压燃条件下,缸内残余热废气中化学物质的成分及其对甲醇燃料低温氧化过程的影响,在Ricardo单缸四冲程发动机上利用改装的GDI直喷嘴建立了缸内取样系统,参照美国EPA大气中醛酮类物质的采集标准设计了样气采集系统,并进行了热废气状态下甲醇均质压缩燃烧低温氧化过程中间产物的缸内采样实验．利用2,4-二硝基苯肼（DNPH）衍生化法对样气中的醛酮类物质进行了富集,进而利用高效液相色谱技术对其进行了定性和定量分析,通过穿透实验、洗脱实验及标准曲线制作研究了低浓度醛酮类物质的采样和分析方法．实验结果表明,热废气中含有一定浓度的甲醛、乙醛、丙酮和丙烯酮等物质,且这些物质参与了甲醇最初的低温氧化过程．     

单燃料天然气发动机控制系统设计与试验研究

以单缸汽油机为对象,研制了天然气发动机单燃料电控喷射系统,进行了发动机供气系统设计、点火系统改进、空燃比优化、电控系统研制及发动机控制参数匹配试验等研究工作,试验结果表明,采用天然气电控缸内直喷技术可有效提高发动机的充气效率,使天然气发动机的功率基本恢复到原汽油机的水平。     

离子电流检测系统的抗干扰设计

发动机复杂的工作环境必然对利用离子电流检测技术实现发动机的燃烧状况进行实时监测造成干扰.为此对整个离子电流检测系统进行了抗干扰优化设计.在一台SI-HCCI(spark ignition-homogeneous charge compression ignition)发动机上进行试验研究,试验结果表明,高压隔离模块很好地保护了采集系统;电容点火隔离方法可以减少信号中的背景干扰;电容检测法无法准确反映发动机的爆震现象;采用软件消除零点漂移的方法取得了很好的效果;采用了优化后的离子电流检测系统,HCCI离子电流的信噪比显著提高.     

柴油替代燃料着火过程的动力学特性

在均质充量压燃着火（HCCI）条件下,对构建的柴油替代燃料化学动力学模型,应用CHEMKIN软件闭式均相反应器模块研究了柴油替代燃料中甲苯的存在以及在不同初始温度下甲苯的含量对柴油替代燃料着火延迟时间的影响,结果表明：柴油替代燃料的着火特性主要由正庚烷来控制,而柴油替代燃料中甲苯缓慢的氧化对着火特性影响不大。在较低的初始温度下,甲苯的含量对着火时间的影响是明显的。随着甲苯含量的增加,更多的着火延迟过程会出现。     

不同燃烧模式下正庚烷燃烧发动机排气超细颗粒特性

在改造的发动机上研究了正庚烷缸内直喷压燃（CIDI）、进气道喷射均质压燃（HCCI）以及进气道 气缸喷射复合燃烧（CCCI）3种燃烧模式的发动机排气超细颗粒特性.结果表明,排气超细颗粒数浓度-粒径分布曲线随预混合率变化显著;CIDI燃烧时,排气超细颗粒以积聚模态微粒为主.随着预混合率的增大,排气积聚模态微粒数浓度明显降低,而核模态数浓度则显著增大;正庚烷HCCI燃烧时发动机排气超细颗粒以核模态微粒为主,积聚模态微粒数浓度很低;正庚烷CCCI和HCCI燃烧时发动机排气总颗粒数浓度明显较CIDI燃烧时高.排气核模态数浓度与HC排放明显相关.     

Experimental study of n-heptane ignition delay with carbon dioxide addition in a rapid compression machine under low-temperature conditions

The ignition delay of n-heptane homogeneous charge compression ignition(HCCI) combustion under high levels of carbon dioxide addition was quantitatively measured at elevated pressure from low to intermediate temperatures in a rapid compression machine.The experiments were conducted in the compressed temperature range 613-750 K.Both the compression ratio and fuel/air equivalence ratio were varied to investigate their effects on the ignition delay of n-heptane.Carbon dioxide was subsequently added to study the influence of the carbon dioxide level on the ignition delay of n-heptane under low-temperature conditions.It was found that carbon dioxide had different effects on the two-stages of ignition delay of n-heptane under low-temperature conditions:the concentration of carbon dioxide had little effect on the first-stage ignition time;a certain concentration of carbon dioxide accelerated the first-stage ignition but had a significantly larger impact on the second-stage ignition delay,thus increasing the overall ignition delay time.The results also showed that the first-stage ignition delay of n-heptane is only a function of temperature under low-temperature conditions.The mass of n-heptane in the combustible mixture,the equivalence ratio,and the pressure at the top dead center had little effect on the first-stage ignition time of n-heptane.     

柴油机燃烧过程中多环芳香烃的生成机理

以正庚烷和甲苯作为柴油燃料替代混合物,构建了1个包含多环芳香烃（PAHs）的柴油燃料替代混合物燃烧化学动力学机理,PAHs的生成考虑到5个苯环。该机理包括153种组分,697个基元反应。在激波管、正庚烷预混火焰和均质充量压燃着火发动机条件下对该机理进行了验证,结果表明构建的机理在HCCI燃烧方面的预测性能是可靠的,可以进一步简化,进而为CFD多维模型与化学反应动力学模型相耦合计算燃烧和排放提供了可行的途径。     

汽油HCCI发动机详细化学反应动力学双区模型

为考察汽油缸内直喷喷油策略对均质充量压缩着火(HCCI)燃烧的影响,在Chemkin源代码程序的基础上建立了高辛烷值汽油HCCI发动机双区燃烧数学模型。模型考虑了双区之间温度、压力以及体积的耦合,并嵌入反应传热和漏气过程的子模型,能够反映通过形成分层混合气控制HCCI燃烧的详细化学和物理过程。将双区模型和单区模型与试验结果进行对比发现,双区模型精度有了较大提高,消除了单区模型具有的压力尖峰,扩大了燃烧范围;并利用双区模型进行了HCCI发动机变工况研究,详细考察了不同分层混合气对HCCI燃烧的影响。结果表明:浓稀2区顺序放热使得缸内压力升高率降低,能够提高发动机的负荷。通过调整浓稀2区的比例,可以控制HCCI燃烧。     

汽油HCCI发动机详细化学反应动力学双区模型

为考察汽油缸内直喷喷油策略对均质充量压缩着火(HCCI)燃烧的影响,在Chemkin源代码程序的基础上建立了高辛烷值汽油HCCI发动机双区燃烧数学模型。模型考虑了双区之间温度、压力以及体积的耦合,并嵌入反应传热和漏气过程的子模型,能够反映通过形成分层混合气控制HCCI燃烧的详细化学和物理过程。将双区模型和单区模型与试验结果进行对比发现,双区模型精度有了较大提高,消除了单区模型具有的压力尖峰,扩大了燃烧范围。并利用双区模型进行了HCCI发动机变工况研究,详细考察了不同分层混合气对HCCI燃烧的影响。结果表明,浓稀两区顺序放热使得缸内压力升高率降低,能够提高发动机的负荷。通过调整浓稀两区的比例,可以控制HCCI燃烧。