后喷射策略下生物柴油对发动机燃烧和排放影响的数值模拟

以正庚烷-癸酸甲酯(MD)-癸烯酸甲酯(MD9D)简化机理为基础,构建了生物柴油(大豆生物柴油SME)-柴油混合燃料燃烧化学反应动力学机理。在单次喷射和主-后喷射两种喷油方式下,将大豆生物柴油、纯柴油以30∶70和70∶30体积比掺混,将该化学反应机理与CFD计算软件耦合,研究后喷策略下生物柴油-柴油混合燃料的低温燃烧特性和排放特性。数值计算结果表明:随着SME掺混比例增加,缸内燃烧温度峰值逐渐降低,缸内燃烧放热主要受OH自由基与燃料的脱氢反应速率影响,反应速率随温度升高而增大;NO_x排放随掺混比例增加而逐渐降低,NO_x排放主要受温度影响;单次喷射下,掺混比例越高,碳烟排放量越低;后喷射下,碳烟生成量受C_2H_2影响,随掺混比例增加而逐渐降低,OH在碳烟氧化过程中起主要作用,碳烟最终排放量受掺混比例影响不大。     

掺氢天然气充量均质压燃发动机燃烧和排放特性的数值模拟研究

为研究掺氢对天然气充量均质压燃（homogeneous charge compression ignition, HCCI）发动机的燃烧及排放特性的影响,基于化学反应动力学软件包CHEMKIN中的零维模型模拟天然气HCCI发动机在掺氢比为0%~40%时的燃烧过程及排放,并对其进行数值分析。结果表明：掺入氢气后缸内温度和放热率先略下降后上升而缸内压力变化不明显,着火时刻随掺氢比增加不断提前,CO和CO₂的生成浓度降低而NO的生成浓度上升。掺入氢气为体系提供大量H,使链分支和链传递反应加快,HO₂和OH生成速度加快,造成着火时刻提前。NO的总生成速率随掺氢比增加而加快。     

进气组分耦合喷油定时对柴油机工作过程的影响机理

通过一台共轨柴油机,基于正庚烷/甲苯/正己烯混合物简化动力学机理耦合三维CFD数值模型,模拟不同进气组分(O_2、H_2和CO_2)耦合喷油时刻对发动机工作过程的影响机理.研究表明:不同进气组分下,随喷油时刻提前,缸内活性自由基(OH、O)质量分数及其分布区域增大,NO生成量增多.但随喷油时刻过度提前,燃烧始点反而推迟,燃烧放热速率、缸内燃烧压力与温度峰值降低,NO也相应减少;相比其他进气组分,进气掺O_2时缸内O自由基质量分数增大,碳烟(Soot)降低且喷油时刻对其影响较小;进气掺H_2时,缸内燃烧压力和温度峰值最高,OH自由基质量分数及分布区域最大,Soot随喷油定时提前大幅降低;进气掺CO_2时,缸内燃烧压力与温度峰值最低,OH和O活性自由基最少,当喷油时刻提前超过24°CA BTDC时,燃油逐渐喷射到压缩余隙容积形成局部过浓区,C_2H_2和多环芳香烃芘(A_4)生成量增多,Soot排放随喷油定时进一步提前明显升高.     

基于喷孔布置及喷射参数协调控制的双直喷发动机燃烧及碳烟排放特性研究北大核心CSCD

通过建立三维计算流体力学(computational fluid dynamic,CFD)柴油/天然气双直喷模型耦合多组分混合物简化化学动力学机理及现象学碳烟模型,模拟研究了天然气射流中心轴线与水平方向夹角α、天然气喷射持续期(natural gas injection duration,NID)的协调作用对柴油微引高压直喷天然气发动机燃烧过程及碳烟生成、氧化过程的影响。结果表明:缩短NID可提高扩散火焰的传播速度,增加燃烧区域的化学反应速率,且最高燃烧压力、峰值放热率、最大压力升高率(maximum pressure rise rate,MPRR)、指示热效率(indicated thermal efficiency,ITE)升高;随NID缩短,A_(4)、C_(2)H_(2)消耗反应速率增加,OH生成峰值增加,碳烟生成降低而氧化增强。增大α促进了大尺度涡旋结构的生成,降低了进入挤气区域的燃料比例,同时利于ITE的改善;较短的NID下,增大α后最高燃烧压力、峰值放热率提升明显;α增大至20°可显著降低A_(4)、C_(2)H_(2)生成峰值,抑制碳烟成核及表面生长反应,降低碳烟生成。综合考虑最高燃烧压力、ITE、MPRR及碳烟排放,确定两个优化方案分别为:α=15°&NID=16.5°及α=20°&NID=21.5°。     

不同进气氛围耦合废气再循环对双燃料发动机工作过程的影响

基于正庚烷、甲烷、乙烷、丙烷多组分混合物简化动力学机理耦合三维计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）数值模型,模拟研究高替代率时不同进气氛围（H₂、O₂组分）耦合废气再循环（exhaust gas recirculation,EGR）对天然气/柴油双燃料发动机低负荷工作过程的影响机理。研究表明：在不同EGR率下,进气掺氢会使缸内燃烧速率显著加快,OH活性基浓度明显升高,CH₄排放显著降低,但CO排放升高;进气掺氧后,缸压及瞬时放热率峰值、最大压力升高率、最高燃烧温度及OH活性基浓度均升高,碳烟、CO和CH₄后期氧化作用增强使其最终排放降低,但NO_x排放升高。在EGR率小于29%,掺氢比小于2.5%时,在实现较低CO、碳烟排放的同时能显著降低CH₄排放和NO₂/NO_x比例;高EGR率时,进气掺氧能降低CO、碳烟排放,并改善CH₄与NO_x     

喷射参数对二甲醚PPCCI发动机燃烧与排放特性的影响

在一台6缸增压电控共轨二甲醚发动机上进行试验,研究了预喷时刻、预喷燃料量、喷射压力、主喷时刻等喷射参数对二甲醚部分预混合充量压缩燃烧(PPCCI)发动机燃烧与排放特性的影响。试验结果表明:随预喷时刻提前,缸内压力峰值降低,二甲醚发动机缸内燃烧由两阶段放热转变为PPCCI三阶段放热,氮氧化物(NOx)排放显著降低,HC和CO排放升高;随预喷射燃料量增加,缸内压力峰值及预混合燃烧的冷焰反应和热焰反应速率明显增大,NOx排放逐渐降低,HC和CO排放显著升高;随喷射压力降低,预混合燃烧热焰反应速率增加,主喷扩散燃烧始点推迟,扩散燃烧放热率峰值和NOx排放明显降低,HC和CO排放升高;随主喷时刻推迟,预喷预混合燃烧几乎没有变化,主喷扩散燃烧延后,缸内压力峰值和放热率峰值降低,NOx排放显著降低,HC和CO排放升高。     

EGR对生物柴油/异丁醇混合燃料燃烧与排放的影响

在一台四缸四冲程水冷高压共轨柴油机上研究了生物柴油/异丁醇混合燃料在不同EGR率下的燃烧及排放特性.试验结果表明:随EGR率的升高,缸内压力和放热率峰值降低,燃料滞燃期延长,燃烧持续期先缩短后延长,NO排放与核模态颗粒物数密度降低;当EGR率小于6%时,CO和HC污染物的排放都保持在较低水平.相较于生物柴油,燃用混合燃料降低CO污染物的排放;随异丁醇掺混比例的增加,缸内压力与放热率峰值逐渐升高,CO排放降低,但HC与NO的排放逐渐升高,核模态颗粒物数密度升高,积聚态颗粒物数密度和颗粒物质量浓度有不同程度的下降.     

柴油机燃用F-T柴油与0号柴油混合燃料时的性能与排放研究

开展了直喷式柴油机燃用F-T柴油与0号柴油混合燃料时性能与排放的研究,试验用燃料为O号柴油、含25%和50%F-T柴油的混合燃料以及100%F-T柴油.结果表明,在相同工况下,随着混合燃料中F-T柴油比例的增加,滞燃期缩短,预混燃烧放热峰值降低,扩散燃烧放热峰值增大,最高燃烧压力略微降低,发动机的燃油消耗率和有效热效率得到改善.在负荷特性上,发动机的CO2、HC、CO、NOx和碳烟排放随着F-T柴油的加入而降低,其中CO和碳烟在中高负荷时降低幅度最为显著.当F-T柴油掺混比例由0增至25%时,碳烟排放降低效果最为明显,此后随着F-T柴油的继续增加,碳烟排放降低幅度减少.     

柴油/正戊醇/甲醇三元微乳化燃料柴油机燃烧与排放特性研究

为了使柴油与甲醇互溶,提高燃料氧含量以控制碳烟排放,以正戊醇作为助溶剂,形成柴油/正戊醇/甲醇三元微乳化燃料,对三元燃料在不同温度下的互溶性进行了研究。在一台电控高压共轨柴油机上测试了1 400r/min转速下柴油/正戊醇/甲醇三元微乳化燃料的燃烧压力和排放特性;计算了瞬时燃烧放热率与燃烧温度,并与柴油进行对比。研究结果表明:甲醇能够以一定比例与柴油/正戊醇互溶,且互溶比例随温度升高而增大。与纯柴油相比,随氧含量的增加,混合燃料的滞燃期延长,燃烧持续期缩短,峰值燃烧温度升高;在中低负荷,峰值燃烧放热率上升;在高负荷,三元微乳化燃料的峰值燃烧放热率下降,但其扩散燃烧强度增加;混合燃料的有效燃油消耗率增加,但是其热值逐渐降低,有效热效率上升;3种含氧燃料的CO排放在低负荷时增加,高负荷时降低;HC及NOx排放升高,NO2在NOx中的比例下降;碳烟排放明显减少。     

氧体积分数对低十六烷值混合燃料燃烧特性影响

在一台转速为1 600,r/min、喷油量为21,mg/cyc的4缸增压直喷式柴油机上,进行不同进气氧体积分数对正丁醇/汽油/柴油混合燃料低温燃烧方式燃烧和排放性能影响的试验.结果表明:对于纯柴油和掺混30%,汽油、30%,正丁醇和15%,正丁醇+15%,汽油的混合燃料,降低进气氧体积分数,缸内压力和缸内平均温度迅速下降,放热率始点推迟,滞燃期延长,当量燃油消耗率增加,NO_x排放大幅降低,CO排放增加.在进气氧体积分数较高(大于19%,)时,碳烟(soot)排放变化较小,进一步降低进气氧体积分数,soot排放急剧增加.在相同的进气氧体积分数下,掺混30%,汽油、15%,正丁醇+15%,汽油和30%,正丁醇的混合燃料与纯柴油相比,放热率峰值依次升高,滞燃期依次延长,NO_x排放无明显变化,CO排放增加,而soot排放大幅度降低.     

F-T柴油/PODE混合燃料的燃烧和排放特性研究

为了研究F-T柴油/聚甲氧基二甲醚(PODE)混合燃料的燃烧和排放特性,以煤基燃料F-T柴油作为基础燃料,添加体积分数为5%和15%的PODE,从而配制成F-T柴油/PODE混合燃料,再以发动机台架为基础,在四缸高压共轨柴油机上进行试验研究。试验结果表明:与0#柴油相比,F-T柴油和混合燃料的缸内放热率峰值、压力升高率、缸内压力峰值和温度都有所降低,并且对应的峰值相位均提前;在转速为2 000 r/min的工况下,相比于0#柴油,燃用F-T柴油和混合燃料FP05,FP15时,NOx的排放量略有升高,CO和碳烟的排放量均显著降低(在低负荷时尤为明显),其中,CO的平均排放量分别降低了21.5%,41.7%和48.0%,碳烟的平均排放量分别降低了54.6%,74.7%和90.1%,并且随着混合燃料中PODE掺混比例的增加,CO和碳烟排放量的降低幅度增大。     

点燃式氨氢燃料发动机燃烧与排放模拟研究

通过三维数值仿真方法研究了化学当量比下掺氢比和点火时刻对点燃式氨氢燃料发动机燃烧与排放的影响。结果表明,增加掺氢比可加速火焰传播,缩短燃烧持续期,提高缸内压力和温度峰值。随着掺氢比增加,未燃氨和N₂O排放减少,燃料型和热力型NO生成增多。点火时刻的适当提前可有效改善燃烧特性,平衡NO、N₂O和未燃氨的排放。随着点火时刻的推迟,NO排放减少,N₂O和未燃氨排放呈相反趋势。然而,过于推迟点火会造成较多未燃氨排放,导致放热不完全,指示热效率下降。     

多次喷射策略对正戊醇-柴油混合燃料燃烧及有害排放影响的模拟研究

为了揭示含氧燃料与喷油策略耦合对发动机燃烧、性能和排放特性影响的机制,基于三维仿真软件CONVERGE,耦合化学反应动力学机理,研究了正戊醇—柴油混合燃料在不同喷射策略下燃烧与有害排放物的生成过程。结果表明,正戊醇促进了燃烧过程,燃用正戊醇—柴油混合燃料时,缸内最高燃烧压力和燃烧放热峰值增大,发动机平均指示压力（indicated mean effective pressure,IMEP）升高,CO、总碳氢化合物（total hydrocarbons,THC）和碳烟排放降低,但NOx排放升高。采用大比例预喷射策略可以促进主喷燃烧过程,提高缸内温度,增大IMEP,但导致CO及THC排放升高,而小预喷间隔会导致碳烟排放增加。后喷射策略导致发动机IMEP降低,但可以降低NOx排放。在小后喷间隔下碳烟排放显著降低,但在大后喷间隔下碳烟排放明显升高。研究表明,正戊醇柴油混合燃料采用大预喷间隔及小后喷间隔的3次喷油策略,能够获得最高的IMEP及最低的有害物排放。     

PODE掺混和喷油参数对柴油机燃烧排放特性影响

在一台增压4缸直喷柴油机上开展了不同聚甲基二甲醚(PODE)掺混比例和喷油参数对柴油机燃烧和排放特性影响的试验.测试燃料包括纯柴油(PD0)、两种柴油/PODE混合燃料分别为PD20(PODE体积分数为20%)和PD30(PODE体积分数为30%).结果表明:随着喷油时刻的推迟,3种燃料缸内压力峰值降低,放热率峰值增加,燃油消耗率增加,热效率下降,CO和HC排放增加,NOx排放减小,颗粒物质量浓度降低,数量浓度先降低后升高;随喷油压力的增加,3种燃料缸内压力和放热率峰值增加,CO和HC排放减小,NOx排放增加,颗粒物数浓度和质量浓度下降.喷油时刻推迟和喷油压力增加都会使PD0的烟度排放明显减少,但对PD20和PD30的烟度排放影响比较小.随着PODE比例增加,热效率提高,但燃油消耗率上升,CO、HC和烟度排放下降,NOx排放小幅增加,颗粒物数浓度和质量浓度显著降低.     

柴油机TR燃烧系统实现低温预混合燃烧的研究

为了验证TR燃烧系统降低发动机排放、实现低温预混合燃烧的能力,在一台经过改造的单缸135柴油机上进行了降低压缩比、燃用柴油-乙醇混合燃料和推迟供油的试验研究.结果表明,压缩比ε降低后,着火推迟,最大放热率增加,缸内最高压力和最高温度降低,NOx排放也降低.但是中高负荷时燃烧速率降低,有效油耗率增加.当燃用乙醇体积含量20%的乙醇-柴油混合燃料时,与燃用柴油燃料相比,着火延迟期延长,烟度大幅度降低.小负荷时缸内最高压力、最高温度、最大放热率和燃烧速率都降低,NOx降低较多;中高负荷时最大放热率高于后者,燃烧速率提高,NOx降低得较少.当供油定时从15°CA BT-DC推迟到13°CA BTDC后,烟度基本不变.     

边界条件对正庚烷均质压燃燃烧过程的影响

应用零维详细化学反应动力学模型,对不同边界条件下正庚烷（n—heptane）均质压燃燃烧反应的化学反应动力学过程进行了数值模拟研究,得出了以初始温度和燃料当量空燃比这两类边界条件为函数,压缩比为17,转速为1400r／min的HCCI全工况解。结果表明：HCCI燃烧分为完全燃烧区域、低温反应和蓝焰反应区域、仅发生低温反应区域和失火区域;不发生热焰反应的关键是反应H＋O2=O＋OH进行程度浅,不能生成足够的OH自由基使CO氧化成CO2;蓝焰反应也不发生而仅发生低温反应的关键是H2O2分解反应的进行程度浅,H2O2只有在缸内温度达到1000K时才能快速分解,这就不能生成足够的OH自由基使甲醛转化成CO2低温反应和蓝焰反应区域是高CO排放区,仅发生低温反应的区域是高甲醛排放区。     

餐饮废油基生物柴油对柴油机有害排放特性的影响

在一台电控共轨增压中冷柴油机台架上，燃用纯柴油以及分别掺混10%、20%、30%餐饮废油制生物柴油的柴油/生物柴油混合燃料，研究生物柴油对柴油机燃烧及排放特性的影响。结果表明:生物柴油使发动机的预喷放热率略微下降，主喷放热率有所升高，缸压峰值随掺混比例的增大略有降低；燃用生物柴油使发动机的NO_x排放有所上升，HC排放略有下降，CO排放变化不大；低转速下核模态颗粒排放略微增加，积聚态颗粒数有所减少，高转速下核模态和积聚态颗粒数都减少；掺混生物柴油会增加发动机排气颗粒物的氧化活性，使得最大氧化速率温度降低，活化能降低；掺混生物柴油能够降低颗粒相多环芳烃的质量比排放。     

柴油/丙烷混合燃料发动机燃烧和排放特性研究

比较了柴油和丙烷的主要理化性能;在一台单缸直喷式柴油机上开展了燃用柴油和柴油/丙烷混合燃料时的发动机燃烧和排放特性研究.研究结果表明：在相同工况下,与燃用柴油相比,燃用柴油/丙烷混合燃料时的有效热效率增加,柴油/丙烷混合燃料的有效热效率随丙烷比例的增加而稍有增加,混合燃料的滞燃期和燃烧持续期随丙烷比例的增加而缩短;缸内最大压力,最大燃烧放热率,最高平均燃烧温度随丙烷比例的增加而增加.燃用丙烷柴油混合燃料可同时降低CO、HC和碳烟排放,但NOx排放有所增加.     

柴油机燃用低比例小球藻生物柴油-柴油混合燃料的试验研究

以野生小球藻生物柴油(Chlorella Biodiesel Fuel,CBF)-柴油作为混合燃料,利用186FA柴油机进行台架试验。在CBF的掺混比例分别为0%,3%,5%(B0,B3,B5)时,对柴油机的动力性、燃料燃用的经济性和燃烧及排放特性进行了比较分析。试验分析表明:柴油机燃用混合燃料时,与燃用纯柴油相比,随着CBF掺混比例的增加,其扭矩和功率略有下降,最大降幅均为4%;柴油机的油耗率和能耗率略有上升,且在高、中负荷时更为明显;柴油机的缸内压力、放热率峰值稍有减小,而压力升高率峰值稍有增大,缸内压力峰值最大降幅为3.4%,放热率峰值最大降幅为12.8%,压力升高率峰值最大增幅为13.7%;柴油机滞燃期缩短了0.5~1.0°CA、燃烧持续期延长了1.0~2.0°CA,缸内压力、压力升高率和放热率峰值的出现时刻均提前了1.0~2.0°CA,燃烧速度加快;HC,CO和碳烟的排放均有所降低,而NOX的排放逐渐增多,全负荷时HC和碳烟排放的最大降幅分别为14.1%和31.7%,NOX排放的最大增幅为9.7%,CO排放的降幅为6%~12%。     

柴油机燃用煤基含氧混合燃料的燃烧及排放特性

在F-T柴油中添加不同比例的丁醇、生物柴油燃料,并与0#柴油做了燃烧及排放特性的对比研究。研究结果表明:混合燃料的预混合燃烧期、扩散燃烧期、缸压峰值与放热率峰值均介于0#柴油与F-T柴油之间;相对于0#柴油,混合燃料燃烧始点提前,CA50增加,燃烧放热中心向后推迟,燃烧放热率第一峰值降低;所在相位提前,预混合燃烧放热量降低,有利于降低燃烧过程的最高温度,实现低温燃烧,第二峰值升高,扩散燃烧所占比重增加;在转速为2 000 r/min时,混合燃料(N10,N20和N10B10)的NOx排放量较0#柴油分别降低了23.40%,26.95%和23.25%,其中主要是NO的降低,NO2的排放量因为低温燃烧反而略有上升;外特性下,碳烟排放量较0#柴油分别平均降低71.47%,77.16%,68.80%。