PRF50燃料低温重整产物对中等负荷下发动机燃烧及排放特性影响的研究

采用试验的方法,利用重整器和发动机台架研究了正庚烷和异辛烷体积比1∶1的PRF50燃料在不同重整温度下的低温重整产物及其对压燃发动机中等负荷下燃烧和排放特性的影响。研究结果表明,PRF50燃料在450K～750K的重整温度下低温反应放热量较少,重整器内温度基本不变。重整产物中的轻烃分子对发动机燃烧具有促进作用,可以使燃料重心(CA50)提前,而产物中的CO、CO_2对燃烧具有抑制作用;随着重整温度的提升,重整产物促进作用逐渐增强,达到最高值后逐渐减弱;在相同喷油时刻下,随着重整温度的增加,指示热效率先逐渐升高后降低,最多提高2%。     

PRF90低温重整产物对发动机燃烧和排放的影响

通过一台耦合了外置燃料重整器的单缸发动机,系统研究了温度对PRF90燃料低温重整产物及发动机燃烧特性的影响,并结合Chemkin软件进行了相关化学动力学计算和分析.结果表明:随着重整温度升高,重整混合气中甲醛、CO和CO2增多,重整混合气活性下降;PRF90燃料的重整产物导入到发动机中,燃烧相位改变;当重整温度650 K时,燃烧相位随着重整温度的升高而提前,而当重整温度650 K时,发动机发生失火现象;重整气的导入对发动机的燃烧稳定性影响有限;合理控制外置燃料重整器重整边界条件,可在降低有害排放的同时改善发动机的指示热效率(2%).     

高辛烷值燃料对HCCI增压发动机燃烧和排放影响的试验研究

在一台经改装的4缸直喷式柴油机上进行了不同辛烷值(RON)基础燃料(PRF)和93号汽油的进气增压(pin)对均质压燃(HCCI)燃烧特性、性能和排放影响的试验研究.结果表明,进气压力增加,发动机缸内最大爆发压力提高,着火时刻提前.增压后,RON对PRF着火时刻的影响减小,汽油的着火时刻滞后于PRF.进气压力增加,HCCI正常运转工况范围向大负荷和小负荷区域都得到拓展.增压后汽油燃料所能达到的最大负荷比PRF高.相同供油量下,进气压力提高,燃烧效率和净指示热效率先增大后减小;最高燃烧效率和净指示热效率均增大.进气压力增加,HCCI发动机的HC和Nox排放降低,CO排放升高.增压后,RON对PRF的HC、CO和Nox排放影响变小,汽油的HC、CO和Nox排放较PRF高.     

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.     

进气温度对HCCI发动机燃烧及排放的影响

本文应用Chemkin软件对基础燃料(Primary Reference Fuel,PRF)氧化燃烧的化学动力过程进行了理论研究,模拟了正庚烷、汽油双燃料均质压燃(Homogeneous Charge Compression Ignition,HCCI)发动机的燃烧过程,研究了进气温度对HCCI燃烧及排放的影响,分析了优化燃烧与排放的基本方法。     

臭氧对天然气均质压缩燃烧的影响

针对均质压燃(homogeneous charge compression ignition,HCCI)技术仍存在着火时刻控制困难、燃烧不充分等问题,以天然气HCCI发动机为研究对象,通过建立HCCI单区模型,耦合CH4-O3反应机理,研究添加臭氧(O3)和一定臭氧浓度下初始参数对天然气HCCI发动机的燃烧过程和排放特性的影响。结果表明:添加O3可以使着火时刻提前,缸内温度和压力升高,且随着O3浓度增大效果越明显,增长幅度逐渐下降;提高进气温度使缸内压力峰值下降,当量比的增大使着火时刻延迟,提示可通过改变O3浓度和初始参数实现对燃烧相位的控制;O3浓度和发动机初始参数的增大均不同程度上促进了NOx排放。     

DME均质充量压燃着火过程的数值模拟研究

以新型发动机代用燃料二甲醚(DME)为例，采用最新研究的DME化学动力学反应机理(DME氧化机理包括336个基元反应，涉及78种组分)，利用美国SANDIA国家实验室开发的cHEMKIN-Ⅲ软件，进行了DME均质充量压燃着火过程的数值模拟，并从理论上讨论分析了压缩比、进气温度、进气压力、燃空当量比、发动机转速对燃料着火时刻的影响。研究结果表明：DME的HCCI燃烧过程有明显的两阶段，压缩比、进气温度、进气压力、燃空当量比和发动机转速等参数的改变都会导致DME压燃着火过程的显著变化。     

不同进气温度条件下燃料特性对均质压燃燃烧过程影响的试验研究

为了研究不同进气温度(Tin)条件下燃料特性对均质压燃(HCCI)燃烧特性、工况范围和排放特性的影响,在一台改装的4缸直喷柴油机上进行了不同辛烷值(RON)基础燃料(PRF)、汽油和含氧燃料的进气加热发动机试验.结果表明,Tin较低时,PRF着火时刻最早,缸内最大爆发压力和峰值放热率最高,其次是汽油和含氧燃料,但Tin较高时,则是汽油燃料着火时刻最早,燃烧效率和能够实现的最高指示效率最高;Tin升高,所有燃料主燃烧着火时刻提前,缸内最大爆发压力和燃烧效率升高,HCCI正常运转工况范围向小负荷区域拓展,但Tin对指示效率的影响与燃料的RON有关.排放测试表明,Tin升高,所有燃料的HC和CO排放均降低,Tin较高时,燃料特性对两者的影响减小;Tin高于363 K时,汽油的HC和CO排放均最低;Tin和RON都相同,汽油燃料的Nox排放值相对较高,Tin对所有燃料的Nox排放的影响均不明显.     

LNG废气重整再循环发动机系统的模拟

基于CHEMKIN模拟软件,结合GRI-Mech 3.0化学反应动力学机理,对液化天然气(LNG)废气重整再循环均质充量压燃(HCCI)发动机进行模拟研究,建立了一个由重整反应模块和发动机模块组成的废气重整发动机的联合系统模型,分析了不同初始条件分别对重整反应和燃烧特性的影响规律.结果表明:重整过程产生的氢气摩尔分数随着重整器入口当量比的增加而先增加后略有降低,峰值可达到17%;重整反应产生的富氢混合气直接进入缸内燃烧,可改善发动机动力性、经济性和排放.随着发动机废气再循环率(小于0.5)增大时,重整产生氢气量也是先增多后减少.     

二甲醚均质压缩燃烧的数值模拟研究

采用最新的二甲醚(DME)化学动力学反应机理(DME氧化机理包括399个基元反应,涉及79种组分),利用LawrenceLivermore国家实验室开发的HCT软件,进行DME均质充量压燃着火过程的变参数研究。从理论上分析讨论进气温度、进气压力、燃空当量比、发动机转速对燃烧的影响。研究结果表明:DME的均质充量压燃(HCCI)燃烧过程有明显的两阶段,进气温度、进气压力、燃空当量比和发动机转速等参数的改变都会导致DME均质压缩燃烧过程的变化。     

正丁醇对柴油机低温燃烧和排放的影响

在一台改造的单缸柴油机上,研究了柴油中掺入正丁醇燃料在不同EGR率、进气压力下对燃烧、性能和排放的影响.结果表明,柴油中添加正丁醇燃料使着火滞燃期延长,缸内最大爆发压力和燃烧温度下降,低温燃烧"失火"的EGR率降低,指示油耗减少,燃油经济性改善;正丁醇可明显降低碳烟排放,使烟度随EGR率变化趋势更加"平坦",烟度峰值对应的EGR率,变低,正丁醇比例越高,烟度越低;正丁醇对气体排放的影响与进气压力有关,正丁醇可以有效降低NOx排放,进气压力越大,正丁醇降低NOx的效果越明显;进气压力为0.15 MPa时,正丁醇比例越大,CO排放越低,但进气压力为0.24 MPa时,B20燃料CO排放最高;正丁醇对THC排放影响不大,但B20燃料在高EGR率条件下,其THC排放明显增大.因此,柴油燃料添加正丁醇是降低低温燃烧烟度和NOx排放,改善低温燃烧性能的有效途径.     

HCCI发动机着火过程控制参数的研究

为了研究HCCI发动机着火控制时刻影响因素,建立了模拟HCCI发动机燃烧的计算模型,以甲烷/丙烷混合物和正庚烷/异辛烷混合物作为燃料,考察了十六烷值、辛烷值、压缩比、燃空当量比、进气温度和压力等因素对HCCI发动机着火时刻的影响.计算结果表明:随着燃料十六烷值的减小或辛烷值的增加,相同条件下燃料的着火延迟期增加;压缩比、燃空当量比和进气温度的变化会引起燃料着火时刻的显著变化;进气压力的变化对燃料着火延迟期的影响较小;气体十六烷值越低,辛烷值越大,着火延迟期受上述参数变化影响越大.研究结果为HCCI发动机的优化设计和燃烧控制提供指导依据.     

基于循环的缸内直喷乙醇HCCI燃烧的瞬态空燃比特性研究

考虑到HCCI燃烧模式对于循环间变动很敏感,基于瞬态CO₂/CO和HC排放测试仪,利用缸内直喷HCCI发动机台架,对乙醇HCCI燃烧循环间的排放及瞬态空燃比进行检测,并采用数学统计的方法分析连续循环的瞬态空燃比变化特性。研究结果表明:喷油量的变化对瞬态空燃比的波动影响最大,发动机转速和进气温度的影响依次降低;瞬态空燃比与缸内燃烧压力峰值显著相关,当瞬态空燃比上升时,缸压峰值降低,反之亦然。     

聚甲氧基二甲醚/汽油双燃料火花辅助压燃燃烧和排放特性研究

对一台4缸缸内直喷汽油机的进气歧管和活塞进行改造,搭建了聚甲氧基二甲醚（polyoxymethylene dimethyl ethers, PODE）/汽油双燃料火花辅助压燃（spark assisted compression ignition, SACI）发动机试验平台,以PODE和汽油分别作为直喷和进气道燃料,系统地研究了直喷策略、进气温度和点火正时对双燃料发动机燃烧和排放特性的影响规律。结果表明：在转速为1 600 r/min、负荷为0.4 MPa时,不同直喷正时的试验工况下,双燃料SACI燃烧存在3种不同的燃烧模式。随着直喷正时的提前发动机燃烧趋向于均质压燃,但过于靠前的直喷正时会使得发动机起燃变得困难,不完全燃烧比例增加。在稳定燃烧的前提下发动机在接近均质压燃的燃烧模式下可以获得更高的热效率,同时实现极低的NO_x和颗粒物排放。提高进气温度能够显著降低不完全燃烧比例并促进燃料起燃,使得发动机能在更早的直喷正时稳定运行,同时抑制了总碳氢（total hydrogen carbon, THC）和CO排放,但对低温燃烧模式下的NO_x排放影响较小。进气温度80 ℃下的最佳热效率相比40 ℃下提高了11.3%,对应的直喷正时提前了30°。提前点火能够促进燃烧的完全进行从而提高热效率,并有效降低THC和CO排放。在较短的喷油—点火间隔下,点火正时的变化能够改变燃烧进程从而实现对燃烧相位的控制。随着直喷正时的提前,点火正时对燃烧的影响减弱。基于合适的进气温度和点火正时,发动机使用汽油/PODE双燃料可以在接近均质压燃的燃烧模式下实现高效清洁的燃烧。     

温度对乙醇重整燃料发动机充气效率的影响

一种简化计算公式能够描述进气温度变化对内燃机充气效率的影响。同时采用工作过程仿真和笔者提出的计算公式比较,考虑了发动机负荷、转速、发动机排量、进气入口空气温度和乙醇重整燃料温度等因素,计算分析了温度对乙醇重整燃料发动机充气效率的影响。简化计算公式的计算结果与工作过程仿真的计算结果非常接近,二者的最大差值小于0.5%;计算结果表明,由于高温乙醇重整燃料引起的进气温度变化,导致充气效率下降3%~7%。     

甲醇和甲醇重整气对直喷汽油机性能影响的对比研究

基于GT-Power并耦合层流火焰速度经验公式开展了甲醇和甲醇重整气对直喷汽油机性能影响的对比分析。首先分别基于双燃料层流火焰速度经验公式,求取了异辛烷-甲醇和汽油-甲醇重整气层流火焰速度,根据层流火焰速度计算出燃烧持续期,作为燃烧模型的输入变量,进而探讨了汽油掺混不同比例的甲醇及甲醇重整气对发动机性能的影响规律。研究结果表明:掺混甲醇重整气与直接掺混甲醇相比,发动机有效热效率和输出转矩明显增加,当量比油耗降低,CO排放水平相当,但NOx排放增加。尤其在稀燃条件下,掺混甲醇重整气使热效率增加明显,这说明燃料重整方式在提高直喷汽油机热效率方面更有应用潜力。     

燃料特性对HCCI发动机燃烧和工况范围影响

在一台改装的4缸直喷柴油机上进行燃料特性对均质压燃(HCCI)燃烧和工况范围影响的试验研究.试验选用6种不同燃料:基础燃料(PRF)、汽油以及基础燃料与乙醇混合物.控制6种发动机运转条件:不同进气温度(tin)、进气压力(pin)和转速.结果表明:在某些运转条件下,汽油着火时刻最早,而在另一些运转条件下,PRF着火时刻最早,这就表明燃料特性对HCCI燃烧过程的影响依赖于发动机运转条件.选用敏感性燃料协同合理的运转条件控制,对于运行工况范围的拓展具有更大潜在优势.CAS0(放热完成50%所对应的曲轴转角)与辛烷值指数(OI)具有很好的相关性,OI越高,着火越晚.然而,使用基础燃料与乙醇的混合物时,OI与着火时刻不具有相关性.     

基于离散小波变换的HCCI爆震特性参数研究

在一台经改造的发动机上开展了不同进气温度下不同高辛烷值基础燃料(PRF)的均质压燃台架试验,利用离散小波变换方法从缸内压力中提取了爆震信号,定义了爆震强度(pKI),确定了爆震门槛值(pKIe)为0.2 MPa,当某个循环的pKI大于0.2 MPa时,定义为该循环发生爆震。对所研究的3种高辛烷值燃料,进气温度和辛烷值的变化对pKIe的值没有影响。对于轻微爆震的情况,利用提出的方法比使用最大压力升高率方法能更准确地判定爆震的出现,HCCI爆震燃烧存在着明显的边界,是一个突变过程。     

二次燃料喷射正时对发动机性能影响的试验

研究了燃料二次喷射正时对以乙醇、甲醇和汽油混合燃料的准均质充量压燃直喷发动机燃烧和排放性能的影响.结果表明:均质充量压燃发动机的燃烧质量、排放性能可以直接进行控制,并且发动机工况区间也可以利用二次燃料喷射正时来扩展;随着二次喷射正时的延迟,着火时刻被推迟;与纯汽油燃料相比,低当量的混合燃料利用二次燃料喷射正时的优化,可以获得良好的燃烧性能、较低的氮氧化物、未燃烧碳氢化合物与一氧化碳的排放、较高的指示平均有效压力和较高的指示效率;同时,对试验所用燃料而言,二次燃料喷射正时都可以缓解氮氧化物与碳烟排放之间的矛盾.     

DME/柴油混合燃料HCCI燃烧与排放特性的试验研究

在单缸柴油机上采用轴针式喷嘴进气道燃油喷射方式,开展了二甲醚(DME)/柴油混合燃料预混均质压燃(HCCI)燃烧及其排放特性的试验研究,探讨了喷油嘴启喷压力、进气温度以及进气掺混不同比例CO2对混合气制备率和发动机性能的影响.结果表明:低沸点液相DME在进气道喷射过程中所具有的闪急沸腾效应,可有效强化柴油/DME混合燃料的雾化与蒸发,减少燃油撞击壁面而出现的进气歧管壁湿现象,从而改善柴油HCCI发动机均质混合气的形成与燃烧,拓宽发动机的运行工况范围.进气掺混0~30%的CO2能使HCCI发动机的正常工作范围从0.32MPa提高到0.5MPa,实现高负荷工况下同时降低NOx和碳烟的排放,但CO和未燃HC排放有所增加.