一个新的适用于HCCI燃烧及排放研究的PRF燃料化学反应简化机理

提出了一个适用于HCCI燃烧过程研究并能考虑重要排放物的基础燃料简化动力学机理,包含42种物质,62个反应.简化机理与激波管试验以及详细机理在理论当量比,温度范围667～1 250 K,不同基础燃料配比(PRF100、PRF90、PRF80、PRF60、PRF0)下对滞燃期的预测较为吻合.与快速压缩机试验对比表明,简化机理对PRF90燃料在不同当量比及不同初始温度下对滞燃期的预测较为准确.与HCCI发动机试验对比表明,简化机理在不同基础燃料配比下(PRF90、PRF75、PRF50、PRF25)对滞燃期的预测较为准确.敏感性分析表明,针对PRF75燃料HCCI燃烧情况,更多正庚烷反应影响低温着火进程,更多异辛烷反应影响高温着火进程,异辛烷的烯烃裂解反应对着火速率的影响很大.     

丙醇/正庚烷混合燃料的着火特性

在一台快速压缩机上研究了不同比例的丙醇/正庚烷二元混合燃料在当量比为1.0、压缩上止点压力2,MPa、压缩温度为650~850,K时的着火延迟.利用混合燃料的详细动力学机理开展了丙醇/正庚烷着火特性的化学反应动力学分析.研究结果表明,在本文实验条件下和温度范围内,丙醇/正庚烷的着火延迟在不同的温度范围呈现不同的变化规律.在丙醇比例较低时,正丙醇/正庚烷混合燃料的着火延迟高于异丙醇/正庚烷混合燃料;丙醇比例较高时,二者的着火延迟非常接近.化学动力学分析表明,由于正庚烷低温反应根池的建立,丙醇在着火过程中也呈现出两阶段燃烧现象.路径分析表明,上止点温度的提高可使部分羟丙烷基发生裂解并增强系统活性.进一步的敏感性分析表明,对正丙醇/正庚烷混合燃料,正庚烷的脱氢反应和链分支反应对促进着火始终有重要影响,随着正丙醇比例的增加,正丙醇对混合燃料着火的抑制与促进都有较大的影响.异丙醇/正庚烷混合燃料的着火在异丙醇比例较大或上止点温度较高时对异丙醇的氧化更加敏感,抑制着火的反应始终为小分子基团的反应.     

一个新的甲醇氧化简化化学动力学机理

基于甲醇氧化反应的主要反应历程分析,构建了一个包含17种组分和40个基元反应的甲醇简化化学动力学机理.通过与激波管、流反应器、稳态反应器、层流火焰速度和火焰结构实验数据的比较表明,该机理在温度为823～2 180 K、压力为0.005～2.0 MPa、当量比为0.2～2.6范围内能够准确描述甲醇氧化历程.用该机理计算所得的甲醇层流火焰速度和着火滞燃期与实验结果吻合得很好,对预混层流火焰模型中燃烧中间产物CH_2O、CO体积分数的计算结果相当准确.与其他简化机理相比,该机理适用范围更广;与全面的详细机理相比,该机理更适合与CFD多维模型耦合.     

正庚烷甲苯混合物燃烧简化机理分析

提出了一个新的包括多环芳香烃(PAH)生成的正庚烷/甲苯混合物燃烧化学动力学简化机理.该机理包括64种物质,120个反应,与激波管内滞燃期实验结果吻合较好.在不同进气氧体积分数下,使用该机理对柴油机缸内燃烧过程进行了计算,其结果与缸内的实验结果吻合良好.通过机理的敏感性分析发现,PAH的重要前驱物乙炔主要是由甲苯反应路径中的C6H5及C6H4O2生成,说明在正庚烷中加入甲苯会对模拟柴油的燃烧特别是碳烟的生成有很大的影响;过氧化氢自由基HO2和羟自由基OH在甲苯、正庚烷的分解反应及小分子烃的裂解和氧化反应中都起着非常重要的作用.     

耦合详细/半详细反应动力学机理的碳氢燃料预混气着火过程及火焰结构数值预测

理论分析碳氢类燃料、空气预混气热着火和流动燃烧过程数值计算方法.并对IPIC -CFDⅡ软件进行修改,使之适合燃料零维着火与火焰结构计算.程序采用了美国SANDLA国家实验室、NASA和BERKELEY大学热力学数据库中的相关参数以及大型化学反应动力学软件包CHEMKIN中相关的模型和子程序;火焰结构计算模块引入美国SANDLA国家实验室开发的PREMIX程序.运用开发的源码,以庚烷/空气预混气和碳氢类燃料中具有代表性的柴油为例采用最新的化学反应动力学机理(其中庚烷氧化机理包含290个基元反应,涉及57种组分;柴油动力学机理包含327个基元反应,涉及71种组分),计算了C7H16/O2/N2预混气在不同点火温度、不同当量比和不同压力下的着火延迟时间,预测了火焰中反应物、主产物、自由基浓度以及温度变化的时间进程;同时模拟了柴油在不同工况下,其预混火焰中温度、反应物、主产物和自由基浓度随火焰高度的变化关系.以上研究为反应设计提供指导.     

JCCI发动机预混合着火与燃烧过程的模拟

结合实机试验数据,运用AVL FIRE程序分析了射流控制压缩着火燃烧方式的着火过程及废气再循环(EGR)率和柴汽油掺混比例对燃烧过程的影响.结果表明:主燃烧室内的柴油预混合气被从点火室内喷出的燃烧产物迅速引燃,实现了柴油预混合燃烧着火相位的主动控制;主燃烧室内的柴油预混合气具有预混合多点自燃和低温燃烧的特点;随着EGR率的增加,主燃烧室内着火时刻略有延迟,NOx排放下降;随着汽油比例的增加,放热减缓,火焰传播越来越显著,NOx排放下降.     

双燃料发动机的燃烧模型

针对双燃料发动机燃烧特性，建立了柴油喷雾扩散燃烧子模型和气体燃烧均质混合气火焰传播燃烧子模型，应用该模型研究了双燃料发动机燃烧机理，计算结果和实验结果相当吻合。计算表明：当引燃柴油比例较大时，双燃料发动机燃烧过程以喷雾混合控制燃烧为主，柴油喷雾扩散燃烧模型与实测较吻合；当柴油比例较小时，该过程以均质混合气火焰传播燃烧为主，均质混合气火焰传播燃烧模型与实测软吻合。计算结果表明，引燃柴油量对双燃料发动机性能影响较大，引燃柴油减少，着火滞燃期延长，缸内最大爆发压力升高。     

JetA-1航空煤油替代燃料的着火与燃烧特性

提出了一种新的航空煤油(Jet A-1)替代燃料(正癸烷与三甲基苯双组分混合燃料),并形成了该替代燃料着火与燃烧的化学反应机理(包括118种组分,527个基元反应).采用该反应机理,对该替代燃料在激波管中的着火特性进行了详细分析.同时,对其在预混燃烧炉、预混搅拌反应器中的预混燃烧过程进行了数值计算,详细分析了反应物(n-C10H22和O2)、主要生成物(CO、CO2、H2和H2O)及多种中间组分(CH2O、C2H2、C2H4、C3H4、C3H6、C4H8和C5H10)摩尔分数的变化趋势,并与正癸烷单组分替代燃料的着火与燃烧特性及实验数据进行了对比分析.结果表明,正癸烷与三甲基苯双组分混合替代燃料能准确反映出Jet A-1的着火及燃烧特性,同时,要优于正癸烷单组分替代燃料.     

DMF/柴油和汽油/柴油混合燃料对柴油机燃烧和排放特性的影响

在一台共轨柴油机上,通过向柴油分别掺混30%体积比的2,5-二甲基呋喃(DMF)和汽油,研究了含氧燃料和低十六烷值燃料对柴油机燃烧过程和排放特性的影响机理。研究结果表明:D30的滞燃期最长,G30次之,纯柴油最短,表明十六烷值是影响着火滞燃期的关键因素。混合燃料的挥发性、硫和芳香烃含量对碳烟排放影响较小,扩展的着火延迟期和增加的燃料氧(原子氧)是降低低温燃烧过程中碳烟生成的两个关键因素。柴油掺混DMF,通过采用中等强度EGR率(低于40%),能显著扩展低排放区域(NOx排放0.4g/(kW·h),碳烟排放0.01g/(kW·h))并保持较好的燃油经济性。相比汽油/柴油混合燃料,DMF/柴油混合燃料对碳烟的降低效果更显著,表明DMF作为一种低十六烷值的新型生物质含氧燃料,其与柴油混合后的理化特性更适合于柴油机低温燃烧的排放控制。多次喷射试验表明:在柴油中掺混DMF或汽油,喷油控制策略对碳烟生成影响减小。综合来看,石化柴油与低十六烷值含氧燃料混合,通过燃料改性与中等强度EGR率(低于40%)耦合并合理控制CA50,是在简化喷油控制策略下实现现代柴油机高效、清洁低温燃烧的一项有效技术途径。     

DME分布特征对微火源引燃汽油混合燃烧过程的影响

为研究二甲醚(DME)分布特征对混合燃烧的控制问题,构建了Frossling Drop Evaporation模型耦合Boiling模型,用以模拟DME蒸发过程.定容燃烧弹实验结果表明,该模型可以较准确预测DME油束贯穿距、喷雾形态.应用三维CFD数值仿真手段,分析了不同喷油时刻对DME分布及燃烧过程的影响.结果表明,早喷工况DME呈现离散型分布特征,火核发展期DME与PRF同步消耗,呈现多点自燃顺序放热特征;晚喷工况DME呈现集聚型分布特征,燃烧初期DME消耗量达75%,高度集聚的DME发挥高能点火源的作用,放热过程呈现双峰特征.基于DME分布特征的控制可以实现对微引燃汽油混合燃烧过程的调控.     

涡流室式柴油机准维相关火焰微元燃烧模型的研究

把涡流室式柴油机不同区域与不同时期的燃烧过程分开处理，将涡流室的燃烧过程分为５个时期，即：低温着火化学动力学反应期，向高温预混燃烧化学动力学反应过渡期，高温预混燃烧化学动力学反应期，向空气和燃料混合控制的扩散燃烧过渡期和火焰微元的扩散燃烧期。而主燃烧室的燃烧只有火焰微元的扩散燃烧期。用Ｓｈｅｌ着火模型、Ａｒｈｅｎｉｕｓ方程和相关火焰微元模型来分别模拟其中的低温着火、高温预混燃烧和扩散燃烧过程以建立准维燃烧模型。模型预测的示功图和燃烧放热率与实验值吻合良好。本文还研究了模型中拉伸因子和耗散因子对示功图的影响。     

DNH三燃料简化化学动力学机理的构建与验证

将简化天然气GRI 3.0机理与柴油替代机理95/5,vv、氢气详细机理以及污染物生成模型组合,得到含79种组分、244步反应的DNH三燃料机理,通过敏感性分析、重要组分分析,调整化学动力学参数,对DNH机理进行验证.结果表明:DNH机理在当量比0.3~1.0内可准确预测单燃料的滞燃期、重要产物、污染物生成过程;通过CFD耦合DNH机理,在柴油、柴油/天然气和柴油/天然气/氢气三种模式下,模拟值与试验值一致性较好,表明DNH模型可满足发动机缸内燃烧模拟的需求.     

正丁醇-生物柴油双燃料高预混燃烧的着火机理

应用三维计算流体力学程序包KIVA耦合正丁醇-生物柴油双燃料燃烧机理,研究了不同的生物柴油喷油时刻、正丁醇-生物柴油喷射比例以及EGR率条件下,正丁醇-生物柴油双燃料高预混合燃烧着火机理.结果表明:不同的燃烧控制参数影响生物柴油和正丁醇的低温反应过程.随着生物柴油喷油时刻的推迟,燃料发生低温反应的比例降低,而中温和高温裂解反应的比例快速增加,使得反应体系活性大大提高.当生物柴油喷油时刻较早、正丁醇比例和EGR率较低时,生物柴油的低温反应中间产物MD_xO_2同分异构体生成较早,正丁醇的低温反应中间产物nC_3H_7CHO的生成区域与MD_xO_2同分异构体的分布区域一致.生物柴油喷油提前以及增大其比例,生物柴油与正丁醇可以较好混合,发生自由基的交互反应,促进着火发生.优化燃烧控制参数可以保证着火和合适的燃烧相位.     

柴油/甲醇二元燃料发动机缸内燃烧数值模拟

为研究柴油/甲醇二元燃料的缸内燃烧过程,基于对二元燃料燃烧特征的分析,发展了湍流耦合反应动力学的柴油/甲醇二元燃料缸内燃烧机理和燃烧模型.基于一个已有的甲醇/正庚烷二元燃料燃烧机理,进一步提高了机理的预测精度,燃烧模型通过计算混合时间尺度和化学反应时间尺度来衡量燃烧的受控因素,其中化学反应时间尺度以熵增率衡量.通过发动机试验对模型进行了标定和验证,结果表明:该燃烧机理和燃烧模型能够很好地对纯柴油和柴油/甲醇二元燃料燃烧过程进行预测,包括随着甲醇比例的增加,滞燃期延长,甲醇火焰传播预混燃烧放热峰值逐渐明显.采用直接求解化学反应而不考虑湍流的燃烧模型,对燃烧进程的预测结果则随着甲醇量的增加而逐渐高于试验值.     

醇类燃料HCCI发动机燃烧特性的实验研究

在Ricardo Hydra单缸四冲程发动机上利用内部废气再循环策略实现了4种醇类燃料(纯甲醇燃料、纯乙醇燃料、体积分数为50％的甲醇与汽油混合燃料和体积分数为50％的乙醇与汽油混合燃料)的HCCI燃烧．通过调整HCCI发动机的空燃比、转速和气门相位角,研究了醇类燃料HCCI发动机的燃烧特性．结果表明,醇类燃料的 HCCI燃烧不同于普通汽油,燃烧可以在较稀的混合气浓度范围区域内实现,使发动机的运行范围向小负荷和高转速方向拓展,其中纯乙醇可以向高低负荷两个方向拓展运行范围．醇类的着火时刻受化学反应特性和加热的共同影响,其中甲醇燃料的着火在所比较的范围内都是最早的,而且甲醇燃料的着火持续期短于乙醇燃料．除了纯甲醇以外,其他醇类燃料的平均指示压力都高于汽油．     

生物质与煤富氧混合燃烧特性研究

采用热重分析仪研究了棉秆、玉米芯和大同煤以及它们之间混合燃料的富氧燃烧特性。分析了富氧条件混合燃料的燃烧特征参数,如着火温度、峰值燃烧速率及其对应温度、燃尽温度及综合燃烧特性指数。采用Coat-Redfern法计算混合燃烧动力学参数。结果表明:在O2/CO2气氛下,提高氧气浓度可以改善生物质与煤混合燃料的燃烧反应,降低燃尽温度,使混合燃料的燃烧反应向低温区域移动;燃烧反应活化能在挥发分析出和固定碳燃烧的两个阶段均增大;但生物质与煤的掺混比例在30%情况下,氧气浓度的变化对混合燃料的着火温度的影响规律并不明显。在50%O2/50%CO2气氛下,随着生物质比例的增加,所有特征参数向低温区域前移,混合燃料燃烧反应活化能在挥发分析出阶段逐渐减小,在固定碳燃烧阶段逐渐增大。Coat-Redfern模型可以较好的描述棉秆或玉米芯与大同煤混合物在空气或富氧条件下的主要燃烧过程。     

正庚烷对冲扩散火焰中多环芳烃形成机理的简化

使用敏感性分析对正庚烷对冲扩散燃烧火焰中多环芳烃生成的详细反应机理(包括108种组分、572个基元反应)进行简化,得到了可与CFD多维模型耦合计算的简化机理,该机理包括56种组分、83个基元反应.简化机理和详细机理的计算结果非常吻合,表明得到的简化机理能够精确地描述正庚烷对冲扩散火焰的燃烧特性,并且能够定量预测多环芳烃(例如苯、萘、菲、芘等)的生成.     

基于详细模型汽油替代燃料碳烟生成特性分析

基于矩方法算法和预混火焰程序,实现一维预混火焰中汽油替代燃料燃烧生成碳烟的详细数值模拟.其中气相详细模型为包含多环芳烃(PAHs)生成机理的多组分汽油替代燃料反应动力学模型,详细碳烟颗粒相模型包含成核、凝并、PAHs表面沉积、表面生长和表面氧化过程.结果表明:燃烧过程中苯(C6H6)分子摩尔分数是影响PAHs生成的直接原因,决定了汽油替代燃料生成PAHs摩尔分数的大小;芘(C16H10)分子摩尔分数直接影响碳烟的生成过程,决定汽油替代燃料碳烟排放水平;可依据汽油替代燃料的组成评价燃烧生成PAHs和碳烟的水平,汽油替代燃料中甲苯/二异丁烯总含量越高,其生成PAHs和碳烟量越大,反之亦然.     

己酸甲酯和正丁醇混合燃料着火延迟试验和模拟

通过一台快速压缩机开展了己酸甲酯和正丁醇混合燃料着火延迟的试验.混合气初始温度为353,K,当量比为1.0,采用79%的Ar/N2混合气进行稀释,上止点压力分别为1.1、1.5和2.0,MPa,正丁醇在混合燃料中的比例分别为0、40%和60%,压缩上止点温度为660~830,K.利用CHEMKIN软件在较宽温度范围内对混合燃料着火延迟进行了模拟比较.结果表明:己酸甲酯/正丁醇的着火延迟随温度变化表现出3阶段燃烧特性,具有明显的负温度系数现象.混合燃料的着火延迟随压缩压力的增大而减小,随正丁醇预混比的增大而增加,正丁醇可减弱混合燃料燃烧爆震倾向.低温燃烧时,混合燃料中的己酸甲酯和正丁醇都呈现两阶段反应特征.高温燃烧时,混合燃料中的己酸甲酯和正丁醇都呈现出单阶段反应现象.正丁醇的加入对己酸甲酯的低温反应路径有较为明显的影响,对其高温反应路径影响不大.     

甲醇燃料火焰可见度的研究

甲醇火焰可见度低,因此就带来了使用中的安全性问题.作者采用一种实验室方法,对火焰的照度进行测量,从而提供了甲醇燃料火焰可见度的评估基础.对甲醇、柴油、汽油、正庚烷、异辛烷、甲苯及甲醇混合燃料共十二种燃料进行了研究,提供了不同燃料的火焰高度、燃烧速度及火焰照度的定量结果.纯甲醇火焰的照度约为汽油的千分之一,用汽油作添加剂可以提高甲醇火焰的照度,但在燃烧过程中随汽油的蒸发而照度下降.作者建议用着火一分钟后,测量期2秒内照度的平均值L与标准偏差σ的和L+σ作为评价可见度的参数.