浅谈变组分燃料燃烧特性研究进展

以沼气为例分析了变组分燃料对发动机性能的影响,论述了国内外变组分燃料沼气、煤层气和高炉煤气的研究进展,介绍了采用定容燃烧装置和发动机研究变组分燃烧特性的方法,并提出了今后的研究方向。     

天然气/氢气燃烧特性研究

在定容燃烧弹中研究了不同氢气掺混比例、燃空当量比和初始压力下的大然气／氢气混合气的燃烧特性,建立了适合用于容弹计算的准维双区模型。研究结果表明：在各种当量比和初始压力下,随着掺氢比例的增加,混合气的质量燃烧速率明显增加,燃烧持续期和火焰发展期娃著缩短。随着掺氢比例的增加,短的燃烧持续期所对应的当量比范围变宽,稀混合气和浓混合气条件下天然气掺氢对火焰发展期缩短的效果更明显。化学计量比附近（1．0—1．1）掺氢燃烧对燃烧最大压力值影响不大,浓混合气（燃空当量比大于1．1）和稀混合气燃烧时,随着掺氢比例的增加,最大燃烧压力值增加。     

柴油含水乙醇乳化燃料物性及喷雾燃烧特性研究

试验使用不同配比的柴油含水乙醇乳化燃料,对其理化、喷雾和燃烧特性进行了研究。随着柴油含水乙醇乳化燃料中含水乙醇含量的增加,乳化燃料的密度和运动黏度上升,表面张力略微下降,初始蒸馏温度下降,含氧量升高,十六烷值和低热值降低。试验使用定容燃烧弹,在常温高压和高温高压环境下,对乳化燃料非蒸发喷雾、蒸发喷雾及喷雾燃烧的特性进行了测试。研究结果表明:随着乳化燃料中含水乙醇比例升高,非蒸发喷雾贯穿距和喷雾锥角变化不大;蒸发喷雾贯穿距和喷雾锥角略微减小,但无明显规律,而蒸发喷雾中液相贯穿距离明显增加;燃烧火焰自发光亮度逐渐降低,表征碳烟生成量逐渐减少;在900K环境温度、21%氧体积分数条件下着火滞燃期变化不大。     

缸内直喷灵活燃料发动机性能和燃烧特性的研究

根据所测的示功图和排放结果,分析了一台采用火花点火、缸内直喷周向分层燃烧系统,能够灵活燃用甲醇、乙醇和汽油的发动机的性能和燃烧特性.研究表明,由于采用分层燃烧,灵活燃料发动机具有与直喷柴油机相当的热效率,在负荷特性上,燃用醇类燃料和汽油时的NOx排放分别仅为柴油机的10%～40%和21%～78%,CO排放低于1%,HC排放略高于柴油机,燃用醇类燃料时能实现无烟燃烧,燃用汽油时仅在高负荷时存在少许碳烟.灵活燃料发动机的燃烧由预混燃烧与扩散燃烧组成,具有非常快的燃烧速率,上止点后3～5°CA就燃烧完50%燃料,燃烧持续期在28～37°CA范围内,甲醇的燃烧速率最快,汽油的燃烧速率在低负荷时比乙醇稍快,在高负荷时比乙醇慢.     

甲基四氢呋喃-异辛烷层流燃烧特性

利用纹影和高速摄像系统,在定容燃烧弹中研究了异辛烷掺混不同摩尔分数(0、20％、40％、60％及100％)的2-甲基四氢呋喃(2-MTHF)在不同初始温度(373、423和453 K)、不同初始压力(0.1、0.2和0.4 MPa)和不同当量比(0.7～1.6)下的层流燃烧特性.几种掺混比下的层流燃烧速度都是在当量比为...     

壁面边界条件下氢气-空气预混燃烧的压力特性

通过纹影测试的实验方法,在顶置点火定容燃烧弹中对壁面边界条件下的氢气-空气预混燃烧压力特性进行了实验研究,得出了不同燃烧当量比(0.6～2.0)、初始压力(0.1～0.3,MPa)、初始温度(300～450,K)下的氢气-空气预混燃烧过程中燃烧压力、最大燃烧压力以及最大燃烧压力升高率等参数的变化规律.结果表明,壁面边界条件下氢气-空气预混燃烧过程中的最大燃烧压力以及最大燃烧压力升高率均随着当量比的增大先增大再减小,均随初始压力的增大呈现出线性增长,随着初始温度的增大而呈现出线性减少.     

含水乙醇-空气预混层流燃烧特性的试验

在383,K、0.1,MPa的初始条件下,利用定容燃烧弹装置和高速纹影摄像系统开展了含水乙醇在不同的体积分数(水的体积分数为0～30%)和当量比(0.8～1.6)下与空气预混的层流燃烧特性试验.结果表明:混合气的无拉伸层流火焰传播速率和燃烧速率随含水量的增加而降低;当水的体积分数小于30%,火焰速率的最大值出现在当量比为1.2附近,而在水的体积分数达到30%时,其最大值开始向1.0的方向移动;含水乙醇-空气火焰的马克斯坦长度和前锋面的稳定性都随当量比增加而下降,随含水量的增加而增加,并在当量比为1.6时,马克斯坦长度由正值变为负值;无量纲的层流燃烧速率随水的稀释率呈线性下降,随当量比的影响不大.     

柴油在甲醇/空气高温热氛围中的着火和燃烧特性

在定容燃烧弹上进行了柴油分别在空气和在甲醇/空气预混均质混合气中着火燃烧的实验研究.结果表明,与空气热氛围相比,甲醇混合气热氛围延长了柴油的滞燃期和加长了火焰浮起高度.采用正庚烷-甲醇的详细化学反应机理,利用数值模拟的方法计算了零维模型中正庚烷及正庚烷加甲醇的燃烧反应过程和中间产物历程.其结果表明,甲醇的加入使得正庚烷的高低温放热反应开始时刻后移,滞燃期延长,低温放热反应峰值明显下降,且无明显的负温度系数区,高温反应放热峰值高于其在空气氛围中,归其原因在于甲醇大量消耗着火的OH自由基,并将其转化为低温氧化中不活跃的H2O2,使得系统着火前反应活性减弱.实验和计算结果均表现出甲醇具有抑制柴油及其参比燃料着火的作用.     

单滴碳氢燃料的燃烧特性

建立了单滴燃料燃烧过程的计算模型和数值方法,并用之计算单滴燃料的蒸发和燃烧过程。计算发现,环境空气压力和燃料临界压力相近时,液滴具有最小的燃烧时间,即液滴寿命最短;当环境压力低于燃料临界压力时,燃烧时间随着环境介质压力的增大而降低,这是因为在燃烧期内,气液界面一直存在,气液界面间的相平衡控制着蒸发速率,进而控制着燃烧时间;环境空气压力高于燃料临界压力时,着火点液滴表面很快变为超临界状态,其后不存在相变过程,燃料的燃烧速率主要受控于燃料和氧气的扩散速率。由于扩散系数几乎与压力成反比,所以,随着压力增高,燃料从高浓度区向火焰区域扩散的速度减小,使燃烧时间变长。     

高辛烷值燃料HCCI燃烧特性的变参数研究

构建了一种高辛烷值燃料与空气压缩自燃反应机理(89种组分,413个反应)。用在快速压缩机上获得的试验数据对它进行了验证,考察了机理的有效性。然后将其嵌入内燃机模型,在CHEMKIN平台上对这种燃料的HCCI燃烧特性进行了变参数的数值模拟,研究了进气温度、进气压力、空燃比、压缩比、转速和EGR等因素对燃烧特性的影响,同时预测了缸内反应物、生成物、自由基浓度随曲轴转角变化的历程。计算结果对燃用高辛烷值燃料HCCI发动机燃烧过程的优化提供了依据。     

火花点火式发动机燃用变组分煤层气的燃烧模型研究

本文对经改装成火花点火式的S195柴油机燃用变组分煤层气的燃烧模型进行了研究。以MATLAB程序设计语言为基本应用平台，建立了缸内燃烧过程的变步长双区准维模型，并与试验结果进行了比较分析，同时分析了组分变化对燃烧过程的影响。结果表明，本文所建立的模型是合理的，能较好地反映缸内的实际工作过程。     

8240ZC-DF型柴油-天然气双燃料发动机使用不同喷油器的试验研究

本文介绍了8240ZC-DF型柴油-天然气发动机使用孔数、孔径和总流通面积不同的两组喷油器对气缸内燃烧特性、主要性能参数和排放性能的影响。     

喷油系统参数对柴油机燃烧过程的影响

试验研究了喷油系统的柱塞直径喷孔直径和喷孔数等对有强涡流的直喷式柴油机燃烧过程的影响。分析了这些参数之间及其与涡流强度的制约关系。得出了１３０柴油机在较低涡流强度下，选用５×０．３×１０４°喷油嘴的１２ｍｍ直径柱塞可获得良好的发动机性能。     

柴油-甲醇微乳化燃料的制备及燃烧特性研究

本文根据乳化和微乳化理论选择油酸作为表面活性剂配制了多种配比的柴油 甲醇微乳化燃料。微乳化燃料获得了与柴油相近的发动机动力性和热效率,NOX排放比燃用柴油时高,碳烟排放比燃用柴油时低。随供油提前角的推迟,NOX排放快速下降,碳烟排放变化不大,推迟供油可使甲醇混合油获得更好的排放水平。由于甲醇汽化潜热大、乳化燃料具有微爆效应,故在小负荷时混合燃料滞燃期比柴油时大,而在大负荷时两者较接近。随混合油含醇率的增加,预混燃烧峰值也随之增加。     

高增压直喷式柴油机供油与燃烧放热的研究

本文根据喷油规律的计算结果,应用Whitehouse-Way 燃烧模型,研究柴油机缸内压力、温度随曲轴转角的变化关系,取得较好的结果。在此基础上,设计了新的喷油嘴,新喷油嘴与原法国喷油嘴的单缸对比试验表明,柴油机的综合性能得到明显改善。     

喷油泵的标定对双燃料发动机燃烧循环变动及排放的影响

根据柴油／天然气双燃料发动机用喷油泵的工作特点，提出了一种新的控制小齿条位移时循环喷油量及各缸不均匀度的喷油泵标定方法，应用该方法进行了喷油泵的标定，并研究了该喷油泵对双燃料发动机燃烧循环变动及排放的影响。研究结果表明，采用新方法标定喷油泵后，双燃料发动机的燃烧循环变动大幅改善，NOx排放显著降低，工作稳定性提高。     

内燃机理想油耗率特性系数及求解

提出了内燃机外特性理想油耗率特性曲线。根据实际内燃机油耗率曲线与理想油耗率曲线的逼近程度,引入并导出一个新的评价指标－理想油耗率特性系数Ｋａ及其计算公式,用以评价外特性油耗率曲线的变化平坦程度,为正确评价内燃机工作转速范围内的燃油经济性好坏提供了理论依据。     

不同喷射时刻下缸内直喷天然气发动机的燃烧特性

开展了天然气高压缸内直喷发动机不同喷射时刻时的燃烧特性研究。研究结果表明：燃料喷射时刻对发动机性能及排放有较大影响,喷射太迟会导致天然气和空气混合时间短,混合效果差,燃烧持续期长,放热速率慢。喷射过早会导致充量系数下降,燃料容易进入燃烧室狭缝间隙处,造成较高的HC排放。对于给定转速,发动机存在一个最佳燃料喷射提前角,此时缸内最高压力值最大,最大压力升高率和最大放热率最大,放热速率快,燃烧过程等容度好,火焰发展期、快速燃烧期和燃烧持续期短,发动机热效率高,HC、CO排放也维持较低水平。     

引燃柴油供给系统对双燃料发动机性能的影响

以实验为基础,研究了引燃柴油量、供油提前角、喷油器参数、针阀开启压力等引燃柴油供给系统参数对柴油／天然气双燃料发动机的燃烧特性、动力性、经济性、排放性等的影响。通过对试验结果的比较与分析,提出了改善双燃料发动机引燃柴油供给系统参数的措施。