不同压缩比对湍流射流点火发动机性能和爆震影响的试验研究

本文基于一台四冲程单缸发动机开展了不同压缩比对湍流射流点火(TJI)汽油发动机性能和爆震特性的影响研究,试验所采用的压缩比为9、11、13和15,在每个压缩比工况下对不同过量空气系数λ进行研究．结果表明,高压缩比可以拓展湍流射流点火汽油发动机的稀燃极限,压缩比15工况下,可以实现λ=3稳定燃烧．增大压缩比并配合预燃室喷油可缩短发动机燃烧的滞燃期和燃烧持续期,进而提高射流点火发动机燃烧效率．1.4<λ<1.9时,随着过量空气系数增加,主燃烧室内混合气变稀,滞燃期和燃烧持续期在低压缩比工况(CR=9、11、13)呈上升趋势,此时主燃烧室混合气浓度对燃烧过程的影响占主导作用;但是随着压缩比逐渐升高至15,滞燃期和燃烧持续期的上升趋势不再明显;而当λ>1.9时,主燃烧室混合气过于稀薄,此时预燃室射流火焰对主燃室燃烧的影响增强．试验还发现,射流点火发动机和普通火花塞点火发动机在压力振荡方面存在较大差异,射流点火发动机的压力振荡从燃烧初期阶段开始一直持续到燃烧结束,这主要是由于高温射流对主燃室多点点火造成的压力振荡．在高压缩比和较浓混合气工况下,射流点火发动机可能还会发生早燃,因...     

湍流射流点火预燃室射流孔对甲醇发动机性能及排放影响的研究

基于一台四冲程单缸发动机开展预燃室结构和射流孔直径对湍流射流点火(turbulentjetignition,TJI)甲醇发动机性能和燃烧特性的影响研究．试验采用直单孔和斜三孔两种类型预燃室射流孔，根据预燃室是否喷射甲醇，预燃室可分为主动式预燃室和被动式预燃室．结果表明，预燃室射流孔直径过大会使射流强度减弱，进而导致主燃烧室燃烧速率降低，不利于稀薄工况下的稳定燃烧；预燃室射流孔过小则会导致节流损失和淬息作用增强，造成稀薄工况缸内燃烧恶化，且污染物排放增加．稀燃工况下，对于直单孔预燃室，4 mm直单孔预燃室性能表现较好，可产生较强的射流，拓宽发动机稀燃极限、提升燃烧稳定性，同时降低指示油耗率，减少污染物排放．预燃室结构不同时，斜三孔预燃室可产生与活塞表面平行的射流火焰，TJI甲醇发动机获得更好的动力性与燃油经济性，且污染物生成较少；同时，斜三孔预燃室可在主燃烧室产生多股射流，提供分布更加广泛的点火源，促进缸内快速燃烧，有效提升稀燃工况下的燃烧稳定性．不同发动机负荷下，斜三孔预燃室的使用可使发动机获得更好的燃烧和排放性能；TJI甲醇发动机具有较好的经济性和燃烧稳定性，同时，缸内燃烧速率更高，...     

稀燃条件下甲烷-空气预混射流的着火特性

基于可控热氛围燃烧试验系统,探究射流当量比、射流速率和协流速率对甲烷-空气预混射流着火特性的影响。根据试验规律对天然气发动机稀薄燃烧的控制策略提出优化建议,以减少失火现象的发生。结果表明：随着协流温度的升高,甲烷-空气预混射流的稀燃极限降低而富燃极限升高,符合大多数碳氢燃料预混合气的着火界限分布规律。不同的射流速率和协流速率下均存在临界当量比,当低于临界当量比时,着火温度随射流当量比的升高而显著降低,当高于临界当量比时,着火温度趋于稳定。在较低的射流当量比工况（0.20 ~ 0.62）下,提高射流速率可以降低着火温度从而优化着火性能。     

发动机进气温度对稀薄燃烧稳定性影响的可视化研究

稀薄燃烧稳定性是先进天然气发动机稳定高效清洁燃烧的重要指标．为了进一步探索改善天然气发动机稀薄燃烧性能的方法,本文基于一台高压缩比单缸光学发动机,采用高速摄影和瞬态压力同步测量方法,研究了进气温度对天然气发动机稀薄燃烧特性的影响,量化了火焰发展演变与发动机性能之间的关联性．研究表明：提高进气温度可以提升缸内压力和放热率峰值,进气温度从25℃到75℃,峰值压力从3.71 MPa提升至4.49 MPa,峰值放热率从57.17 J/(°CA)提升至64.36 J/(°CA),并且放热过程更为集中,同时结合发动机点火时刻,可进一步实现燃烧相位优化,降低传热损失;可视化燃烧图像显示,高进气温度条件下着火延迟期缩短,初始火焰尺寸增大,后期火焰传播更快,最大火焰传播速度提升至约10.6 m/s,同时火焰前锋趋于向四周传播,火焰形态对称性更好．此外,本文创新性地提出了一种基于可视化图像来量化的已燃质量分数的经验准则来评价初期火焰发展特性,发现提升进气温度主要影响早期火焰发展规律,高进气温度下早期火焰循环变化系数从18.12%降低至7.86%,并且该持续期平均值从13.03°CA降低到了9.25°CA,...     

湍流热伴流中氢气与乙炔射流自着火实验

氢燃料燃气轮机是碳中和目标下氢燃料发电的关键设备,因此探究湍流热伴流中氢气自着火特征以及与碳氢燃料间的差异具有重要意义。该文采用湍流热伴流自着火实验系统,通过获取火焰图像和OH自由基分布,对比分析了氢气和乙炔在自着火类型、结构等方面的差异。结果表明：受氢气的高扩散系数和高火焰传播速度影响,氢气随机着火分布区域较紧凑,OH自由基分布较连续,同时难以观测到独立自着火核。此外,相较于乙炔,氢气自着火抬升高度对燃料射流速度敏感性较低,自着火位置波动性较弱。基于氢气射流自着火特征,该文还改进了自着火抬升高度预测模型,并证明了火焰传播在氢气射流自着火火焰稳定方面的重要作用。     

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．     

掺氢对二甲醚预混层流燃烧特性的影响

利用定容燃烧弹试验和化学反应动力学数值模拟相结合的方法,研究了不同氢气掺混比下的二甲醚-氢气-空气预混层流火焰特性,分析了氢气掺混量(掺氢比)对二甲醚预混层流燃烧速度、绝热火焰温度以及火焰中主要活化自由基的影响。试验结果显示:随掺氢比的增大,混合气体的层流燃烧速度、绝热火焰温度逐渐增大,且在掺氢比小于80%时增大幅度较小,在掺氢比大于80%时,增大幅度较大;掺氢比较小时,混合燃料燃烧初期,火焰中会有一定量的氢气生成,说明混合燃料燃烧过程中,二甲醚会被优先氧化分解,在掺氢比较小的混合燃料燃烧过程中二甲醚的氧化分解占主导地位;随掺氢比的增大,火焰中自由基的浓度逐渐增大,大掺氢比时H自由基浓度增大幅度更为明显,H自由基浓度随掺氢比增大的剧增导致层流燃烧速度的剧增。     

氨燃烧特性及稳燃技术研究进展

针对当前氨燃烧存在着火困难、燃烧稳定性差及NO_x排放高等问题,从氨的基础燃烧特性出发,总结了现有的稳燃技术,包括氨、氢、甲烷混合燃烧,高压富氧等手段强化热质传递,以等离子为代表的外部辅助技术等．探讨了氨在不同动力设备如内燃机、燃气轮机及锅炉中的燃烧稳定性问题．未来氨燃料研究的重点应集中在稳燃技术发展、氨/氢混燃、氨/固体燃料混烧等方面：结合不同应用场景,采用不同稳燃技术,优化氨燃烧过程;氨/氢燃料掺混燃烧系统发展前景巨大,亟待研究开发;氨/固体燃料混烧试验数据较少,可开发领域众多;开发新兴辅助燃烧技术,为氨燃料应用服务．     

高温下乙醇/异辛烷混合物着火特性的反应动力学研究

为探究高温条件下在异辛烷中掺混乙醇对其着火滞燃期的影响,对乙醇/异辛烷混合燃料的自着火特性进行了实验和理论研究。通过反射激波管平台和数值模拟计算研究了异辛烷掺混不同摩尔分数的乙醇后在初始压力为0.2或1 MPa、温度范围为1 100～1 900 K、当量比为1.0下的着火特性和化学反应机理。研究结果表明,乙醇/异辛烷混合燃料的滞燃期随乙醇掺混量的增加和随压力的升高而减小,在高温下滞燃期随温度的升高而减小,且滞燃期的对数和温度的倒数近似呈线性关系。通过多元线性回归法拟合了滞燃期的Arrhenius公式,验证了Nour Atef机理与本实验的吻合性;通过反应路径和滞燃期敏感性分析,从化学动力学角度可知,掺混乙醇对着火滞燃期的影响本质上是由于掺混乙醇产生的大量OH活性基促进了反应,从而缩短了混合燃料的着火滞燃期。     

新型零碳氨燃料的燃烧特性研究进展

介绍了国内外对氨燃烧特性的最新研究成果,分析了氢气、合成气、甲烷等各种燃料掺混对氨火焰在点火延迟时间、层流火焰速度和NO_x排放特性方面的影响,阐述了近年来包含NH3组分的化学反应动力学机理模型的研究现状,并总结了现阶段的氨燃烧的工业化应用探索,为之后的相关研究提供参考．氨作为新型零碳燃料替代传统化石能源燃烧供能是可行的,未来发展纯NH3、NH3与各种气液固燃料的掺混燃烧技术及低NO_x燃烧技术,最终有望在内燃机、燃气轮机、锅炉等动力装置中大规模使用．     

进气温度对DMDF发动机燃烧特性和烟度排放的影响

在一台电控单体泵增压中冷发动机上,研究在固定柴油和甲醇供给时刻和供给量条件下,进气温度变化对柴油甲醇二元燃料燃烧特性的影响.结果表明:相同工况下,进气温度从40,℃变化到70,℃可以使爆发压力相差4,MPa,着火时刻相差15°,CA;进气温度的升高,不仅会造成滞燃期缩短、最大爆发压力和压力升高率增大,而且最大爆发压力出现的时刻变早、燃烧相位前移;在部分工况,变化进气温度还伴随燃烧模式的转变.温度变化还表现出柴油甲醇二元燃料燃烧和发动机转速的极大关联:在低速、较大负荷时,进气温度升高会导致输出扭矩下降和当量比油耗升高;在高速时,进气温度升高能提高输出扭矩并降低当量比油耗,但过高的进气温度会使大量甲醇在上止点之前燃烧,降低输出扭矩并提高当量比油耗.进气温度对碳烟排放也有较大影响:随进气温度降低,碳烟排放降低.综合研究结果表明,柴油甲醇二元燃料燃烧进气温度控制在50~70,℃时,可以获得最佳的经济和排放性能.     

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．     

微型动力装置内掺氢甲烷燃烧特性

针对微型动力装置存在的燃烧不稳定问题,研究了甲烷掺氢在圆柱型微燃烧室内的燃烧特性。确定了甲烷掺氢燃烧的空间气相化学反应机理,建立了自由活塞动力装置三维立体模型。在试验基础上,基于Fluent软件,数值模拟了甲烷掺混氢气和空气的燃烧过程,研究了掺氢比对微压燃着火界限、着火时刻、着火燃烧过程以及临界压燃初动能等的影响,分析了不同掺氢比条件下混合燃料的燃烧特性。研究结果表明:当物质的量比为0. 5时,掺入氢气可拓宽压燃气体着火界限,提高着火燃烧可靠性,使着火时刻提前。因氢气热值远低于甲烷热值,随掺氢比增大,活塞做功能力减小。当掺氢比为10%～20%时,装置具有稳定的燃烧性能和高做功能力。     

微型动力装置内掺氢甲烷燃烧特性

针对微型动力装置存在的燃烧不稳定问题,研究了甲烷掺氢在圆柱型微燃烧室内的燃烧特性。确定了甲烷掺氢燃烧的空间气相化学反应机理,建立了自由活塞动力装置三维立体模型。在试验基础上,基于Fluent软件,数值模拟了甲烷掺混氢气和空气的燃烧过程,研究了掺氢比对微压燃着火界限、着火时刻、着火燃烧过程以及临界压燃初动能等的影响,分析了不同掺氢比条件下混合燃料的燃烧特性。研究结果表明:当物质的量比为0.5时,掺入氢气可拓宽压燃气体着火界限,提高着火燃烧可靠性,使着火时刻提前。因氢气热值远低于甲烷热值,随掺氢比增大,活塞做功能力减小。当掺氢比为10%~20%时,装置具有稳定的燃烧性能和高做功能力。     

微型动力装置内掺氢甲烷燃烧特性

针对微型动力装置存在的燃烧不稳定问题,研究了甲烷掺氢在圆柱型微燃烧室内的燃烧特性。确定了甲烷掺氢燃烧的空间气相化学反应机理,建立了自由活塞动力装置三维立体模型。在试验基础上,基于Fluent软件,数值模拟了甲烷掺混氢气和空气的燃烧过程,研究了掺氢比对微压燃着火界限、着火时刻、着火燃烧过程以及临界压燃初动能等的影响,分析了不同掺氢比条件下混合燃料的燃烧特性。研究结果表明:当物质的量比为0.5时,掺入氢气可拓宽压燃气体着火界限,提高着火燃烧可靠性,使着火时刻提前。因氢气热值远低于甲烷热值,随掺氢比增大,活塞做功能力减小。当掺氢比为10%~20%时,装置具有稳定的燃烧性能和高做功能力。     

固体火箭冲压发动机一体化燃烧特性数值分析

为研究固体火箭冲压发动机性能,采用计算流体力学方法对包含进气道及补燃室的一体化燃烧流场进行数值分析,研究可燃燃气进口条件、飞行攻角以及进气道与补燃室过渡连接方案对补燃室掺混燃烧的影响。研究结果表明：燃气流量为0.08 kg/s时,燃气射流出现偏移,补燃室两侧壁面温度相差较大,燃气流量为0.3 kg/s时,燃气偏移现象基本消失;随着燃气流量增大,发动机推力增加;攻角增大使得进气道流量系数增大,强化空气与燃气混合燃烧效果,并最终提升发动机推力。进气道与补燃室的过渡连接方式影响进气角度,通过改变过渡连接方式将进气角度从50°增加至90°后,燃气流量为0.3 kg/s时,发动机推力提高10%,但会导致补燃室总压损失增大,发动机比冲降低2%。     

温度对增压二甲醚发动机性能的影响

以一台增压二甲醚发动机为研究对象,研究进气温度和燃料温度对二甲醚发动机性能的影响。试验结果表明,进气温度升高,燃烧滞燃期缩短,放热率曲线往前移,预混合燃烧的峰值降低,预混合燃烧在整个燃烧过程中所占比例减小;进气温度升高会导致发动机油耗率上升,排温升高,NOx排放增加。二甲醚燃料温度的影响比进气温度升高,燃料温度增加会导致发动机功率下降。额定工况点下,当燃料温度由28℃升高到40℃时,发动机的功率由192.1 k W下降到168 k W,下降12.0%。二甲醚温度每升高1℃,二甲醚发动机功率平均下降1.0%。     

正丁醇/正庚烷预混层流燃烧特性的试验研究

利用向外传播的球形火焰,试验研究了初始温度为393 K和初始压力为0.1 MPa时,当量比和正丁醇的掺混量对正丁醇/正庚烷掺混燃料的层流燃烧速度和火焰不稳定性的影响.试验结果表明:混合物的层流燃烧速度随当量比的增大先增大后减小,随正丁醇掺混量的增加逐渐增大;火焰不稳定性随当量比的增大而增加,低当量比时随正丁醇掺混量的增加逐渐增加,高当量比时随掺混量的增加逐渐减小,当量比1.1时火焰不稳定性受掺混量的影响不大.     

二甲醚掺氢低压层流预混火焰

利用同步辐射真空紫外光电离结合分子束取样质谱技术,研究了当量比为1.5,燃料掺氢体积分数为0%、40%和80%的二甲醚/氢气/氧气/氩气低压层流预混火焰。测量了火焰温度曲线和火焰物种的摩尔分数分布曲线,分析了掺氢对火焰温度、燃烧主要产物CO和CO2以及主要燃烧中间物CH2O、CH3、C2H2和C2H4的影响。研究结果表明:在低压预混二甲醚/氢气/氧气/氩气火焰中,随着掺氢比的增大,火焰温度逐渐降低,火焰中CO、CO2、CH2O、CH3、C2H2和C2H4的摩尔分数逐渐减小;在后火焰区,CO与CO2的摩尔分数比随着掺氢比的增大而减小,说明掺氢有利于CO氧化成CO2,促进二甲醚完全燃烧。     

H2/RP-3航空煤油混合燃料着火特性研究

实现碳氢燃料的快速点火与稳定燃烧是超燃冲压发动机研制过程中必须解决的关键问题。在航空煤油中添加乙醇燃料,利用乙醇热分解得到氢气等可燃小分子气体来改善燃烧过程是达到促进航空煤油着火与燃烧稳定的有效手段。选取正癸烷、甲苯、丙基环己烷三组份混合燃料作为RP-3航空煤油的模拟替代燃料,构建了其燃烧反应机理;并对该机理进行了验证。为揭示氢气对RP-3航空煤油着火特性的影响,构建了RP-3航空煤油/氢气混合燃料的燃烧反应机理;并对该机理进行了验证。同时,采用该燃烧反应机理分析了多工况下掺氢比对RP-3航空煤油着火特性的影响。结果表明,采用正癸烷、甲苯、丙基环己烷三组份混合燃料的燃烧反应机理计算得到的着火延迟时间与相应工况下RP-3航空煤油着火延迟时间的试验数据吻合良好;多工况下氢气添加能够提升RP-3航空煤油/氢气混合气活性,缩短着火延迟时间,促进燃料着火;同时,随着混合气中掺氢比的升高,混合气的着火延迟时间逐渐缩短。