掺混策略对聚甲氧基二甲醚/甲醇双燃料燃烧影响的可视化研究

基于一台单缸光学发动机,采用高速摄影和瞬态压力同步测量方法,开展了不同掺混策略对聚甲氧基二甲醚（polyoxymethylene dimethyl ethers, PODE）/甲醇双燃料燃烧及火焰发展特性的影响研究,其中掺混策略包括P/M20（甲醇和PODE以2∶8的体积比掺混）燃料双喷射模式和缸内直喷PODE引燃预混甲醇混合气的反应活性控制压燃（reactivity-controlled compression ignition, RCCI）模式。结果表明,对于P/M20燃料双喷射模式,随着气道喷射比例增加,低温反应增强,滞燃期缩短,着火时刻显著提前,进而显著改善了燃烧稳定性;对于RCCI模式,随着气道喷射甲醇占比的增加,滞燃期延长,燃烧相位推迟,峰值压力和放热率均降低,并伴随着燃烧稳定性变差。燃烧可视化显示,两种掺混策略下,随着气道喷射比例的增加,蓝色预混火焰占比增大,最大火焰传播速度降低,由于末端未燃混合气浓度增加,火焰发展由明显的扩散燃烧逐渐转变为末端混合气不断出现新自燃点的顺序自燃模式。对比两种掺混策略可以发现,推迟缸内直喷时刻均能在一定程度上优化燃烧相位,显著改善指示热效率,然而其原因侧重点不同：对于P/M20燃料双喷射模式,提高气道喷射比例可以增强低温放热,促进着火,显著改善燃烧稳定性;对于RCCI模式,其燃烧过程主要位于上止点之后,燃烧相位更接近最佳燃烧相位,进一步减小了传热损失和循环负功,因此其具有更高的指示热效率,也更适合PODE/甲醇双燃料燃烧模式。     

直喷燃料特性对高比例预混压燃燃烧的影响

针对高比例预混压燃燃烧模式,在气道喷射异辛烷并保证气道当量比为1,缸内每循环直喷2,mg及4,mg正庚烷、聚甲氧基二甲醚(PODE)、正十六烷,并选择-25°,CA ATDC早喷和-5°,CA ATDC晚喷两个工况,对比分析了燃烧室内的自燃着火、火焰发展和燃烧放热过程.结果表明,RCCI晚喷工况为两阶段燃烧,压力升高率较低,有利于RCCI向高负荷范围拓展,直喷PODE和正十六烷两阶段燃烧明显,而直喷正庚烷燃烧室内混合气的活性梯度较小,两阶段燃烧不明显;高比例预混压燃燃烧中,缸内直喷油量低,早喷工况滞燃期主要受十六烷值影响,晚喷工况下喷雾雾化质量差异带来的影响逐渐凸显;在高气道喷油比例(93.8%)下,正庚烷晚喷工况火焰呈现红色,存在灼热的碳粒,早喷可一定程度改善该问题,而正十六烷无论早喷还是晚喷,喷雾雾化质量均很差,碳烟问题尤为显著;PODE能量密度低,相应最大压升率低,再加上其高十六烷值和含氧特性,在高气道喷油比例(93.8%)下,其早喷工况初始自燃点较少,火焰发展速度慢,之后伴有多点自燃过程,而晚喷工况的油束火焰面积小,相邻油束无干扰,碳烟生成很少,适合作为高比例预混压燃燃烧的高活性燃料.     

直喷汽油对反应活性控制压燃负荷拓展影响的数值模拟研究

基于三维计算流体力学软件CONVERGE,通过数值模拟的方法,基于不同的燃油总量、直喷汽油量、预混汽油油量和汽柴油喷射时刻等参数,展开了缸内直喷汽油对反应活性控制压燃(RCCI)燃烧模式高负荷拓展影响的研究。结果表明:进气压力及柴油喷射时刻会影响缸内浓度分层进而影响燃烧过程,而汽油喷射时刻影响不明显;在汽油采用进气道结合缸内直喷的混合喷射策略下,增加缸内直喷汽油量可以进一步增强缸内的混合气浓度分层,延长燃烧持续期,降低缸内的最高燃烧压力和压力升高率,实现更低的燃烧温度。仿真计算结果显示:若保证碳烟和NOx排放在限值内且油耗有所降低,可将平均有效指示压力(IMEP)拓展至1.6MPa;将IMEP拓展到1.7MPa后,增加汽油的预混比例并不能提高IMEP,但对排放略有改善,相应的压力升高率和燃烧压力提高。     

基于双直喷策略的低负荷下活性控制压燃燃烧特性的数值研究

采用流体仿真软件CONVERGE开展了基于双直喷策略的低负荷工况下二代生物柴油/汽油活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)燃烧模式的数值模拟研究,对比了常规进气道喷射汽油RCCI和双直喷RCCI的燃烧特性,并探讨了双燃料喷射时刻对双直喷RCCI燃烧的影响。结果表明:相比常规进气道喷射汽油RCCI,双直喷RCCI能够有效控制缸内汽油混合气分布,改善不完全燃烧现象;随着汽油直喷时刻的推迟,分层燃烧减弱,燃烧持续期缩短,燃烧效率降低,热效率先减小再增大后又减小,NO_x排放减少而碳烟排放增加;随着二代生物柴油喷射时刻的推迟,分层燃烧加剧,燃烧持续期延长,燃烧效率升高,热效率先增大而后减小,NO_x排放增加而碳烟排放减少。     

基于光学发动机的柴油/聚甲氧基二甲醚引燃乙醇对比研究北大核心CSCD

为了改善内燃机燃烧与排放,探究反应活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)燃烧规律,在一台轻型光学发动机上对比了缸内分别直喷柴油和聚甲氧基二甲醚(polyoxymethylene dimethyl ethers,PODE)引燃进气道喷射乙醇的燃烧特性。通过调节缸内直喷的喷油时刻和喷油比例,对燃烧过程进行了可视化试验分析。结果表明:随喷油时刻不断推迟,缸内燃烧压力与放热率呈现先增后减的趋势,喷油时刻在上止点前20°时燃烧效果最好。随着缸内直喷燃油比例的增加,每循环燃烧压力峰值和放热率峰值不断增加,燃烧相位提前,燃烧更充分。利用高速成像技术获得的图片结果显示:两种引燃模式下火焰均发生于近壁区域并向四周扩散。火焰亮度最高和面积最大的时刻出现在燃烧始点附近。PODE引燃乙醇时火焰场中无曝光区域而柴油引燃乙醇时存在较多曝光区。PODE/乙醇燃料组合相对于柴油/乙醇燃料组合的缸压和放热率峰值更高,滞燃期和燃烧持续期更短,燃烧效率更高,碳烟生成量更少。     

喷油对二冲程汽油机混合燃烧模式影响的模拟

利用三维数值模拟,研究了小负荷时两次喷油策略对气门式二冲程直喷汽油机缸内混合气形成和火花点火形成的火焰诱发自燃的混合燃烧(SFI)特性的影响.结果表明:缸内燃油和温度的分层形式是影响混合气自燃特性的重要因素.在固定循环喷油量下,随着第二次喷油比例的增大,火花点火时火花塞周围燃空当量比增大,从气缸中心区到外围区的燃油浓度减小,着火时刻先略有提前然后逐步推迟,同时燃烧持续期先减小后增加,而平均指示压力、最大压力升高率和最大气缸压力均呈先增加后降低的趋势.与单次喷油相比,两次喷油更容易实现SFI燃烧.其中,第二次喷油比例为30%,时,火焰传播速度最快、自燃持续期最短.第二次喷油比例大于70%,时,气缸周围的偏稀混合气在火焰传播过程中难以自燃,缸内以火焰传播为主.     

分层充量压燃简化动力学模型及燃烧机理

在前期工作的基础上,加入了与浓混合气相关的反应,构建了适合分层压燃的简化动力学模型,包括39种物质和49个基元反应.新构建的分层压燃简化动力学模型,零维模拟的结果与详细机理吻合很好;与三维CFD耦合模拟的结果与预混/直喷条件下的实验结果吻合也很好.对于预混/直喷分层燃烧来说,低温反应最先发生在压缩余隙和凹坑内活塞表面附近的燃料均质分布的区域,而高温反应最先发生在喷雾导致的浓混合气区域.到低温反应结束为止,缸内生成的H2O2和CH2O浓度分布不均匀,混合气较浓的区域生成的H2O2和CH2O浓度较大.高温反应开始后,浓混合气区域温度比燃料均质分布的区域高,因此在较浓的混合气区域,H2O2、CH2O、HCO和CO等重要中间产物消耗的速度都比燃料均质分布的区域快.     

柴油射流控制压燃放热过程的数值模拟

针对双直喷型柴油射流控制压燃模式的放热过程,通过三维数值模拟耦合简化化学反应动力学机理,对该模式高温放热过程中存在的独立两阶段特性开展研究.结果表明:射流压缩自燃阶段受到柴油射流压缩自燃的主导,同时周围的部分预混合气也参与燃烧.随着缸内温度和压力的升高,达到预混合气的自燃条件,在压缩上止点后6°CA附近,独立区域内预混...     

喷油策略对分层火焰引燃混合燃烧影响的研究

通过一台单缸汽油机,采用进气道喷射(PFI)和缸内直喷(DI)实现燃油分层,结合火花点火实现分层火焰引燃(SFI)混合燃烧,探索了点火时刻、直喷比例和直喷时刻对SFI混合燃烧特性的影响.结果表明:点火时刻直接影响前期火焰传播放热过程,进而实现对后期放热过程的有效控制,而直喷比例和直喷时刻则直接影响缸内燃油分布,进而影响SFI燃烧特性.点火时刻提前,使火焰传播阶段的平均放热速率增加,自燃始点提前;直喷比例增加,可以提升前期火焰传播阶段的平均放热速率,但是后期自燃阶段的平均放热速率呈先增加后减小趋势;直喷时刻为上止点前60°,CA时,火焰传播阶段和自燃阶段的平均放热速率都达到最高,但此时的传热损失也最大.通过优化直喷比例和直喷时刻,可以实现燃油经济性的提升,在转速为1,500,r/min、平均指示压力(IMEP)约为0.7,MPa工况下,优化后的SFI混合燃烧相比于纯均质混合气稀释燃烧,指示热效率可以提升7.4%,.     

缸内直喷汽油机HCCI燃烧对压缩比和辛烷值的适应性研究

在缸内直喷汽油机（GDI）上采用多次燃油喷射和可变配气技术来控制缸内混合气形成和燃烧,实现了SI/HCCI复合燃烧方式。研究了不同压缩比和辛烷值对均质混合气压燃（HCCI）燃烧排放特性的影响。结果表明,汽油HCCI燃烧呈现单阶段燃烧燃料特性,HCCI着火发生在上止点附近时油耗低。低压缩比下,HCCI燃烧可以在较浓空燃比下工作,NOx排放较高。高辛烷值燃料HCCI燃烧可运行的负荷范围窄。汽油HCCI发动机在偏高压缩比条件下燃用偏低辛烷值汽油可以获得较好的经济性和排放性能。     

利用定容燃烧弹研究天然气掺氢混合燃料直喷燃烧循环变动

利用定容燃烧弹开展了天然气掺混0%～40%氢气混合燃料直喷燃烧循环变动研究,高压气体燃料(8.0 MPa)喷入定容燃烧弹模拟直喷发动机燃烧条件.在整体当量比为0.6和0.8下,试验采集了火焰发展图片和燃烧过程容弹内压力,从火焰发展图片和燃烧特征参数两个方面分析了掺氢和混合气分层分布对天然气直喷燃烧循环变动的影响.结果表明:燃烧循环变动起始于火焰发展初期阶段.随着掺氢比增加,火焰形态更规则且更集中于点火电极.同时,由于直喷燃烧方式混合气分层分布,能够实现低循环变动的稳定稀燃.循环变动随着掺氢比的增加而减小,这种趋势在稀燃工况((b=0.6)下更加明显.在直喷燃烧方式下,由于混合气分层分布减弱了火焰发展初期阶段对后续燃烧过程的影响,因此燃烧特征参数间呈现相互独立的关系.     

喷油压力和进气温度对氨/正十二烷双燃料发动机燃烧稳定性影响研究

基于一台光学发动机,在1 200 r/min转速下,采用进气道低压喷射氨气,缸内高压直喷高活性正十二烷的双燃料燃烧模式,应用火焰高速成像方法,研究了喷油压力和进气温度对氨/正十二烷双燃料发动机缸内燃烧的影响规律．结果表明,直喷燃料喷射压力降低,导致正十二烷浓度分层增大,自燃着火点增多,更有利于正十二烷引燃均质预混合的氨气;直喷压力在30 MPa和60 MPa工况下,火焰初期NH3燃烧的橘色火焰占主导,之后呈现正十二烷预混蓝色火焰与NH3橘色火焰叠加现象;在90 MPa喷射压力下,火焰发展初期正十二烷预混蓝色火焰占主导,随着燃烧发展NH3橘色火焰的比例逐渐增多．在30 MPa喷射压力下,缸内直喷正十二烷可以实现90%氨气比例的稳定着火,但是燃烧反应速率过低,燃烧持续期过长．进气温度从100℃升高到125℃后,自燃着火点数量增加,氨双燃料燃烧反应速率提高,放热率峰值增大;然而进气温度进一步从125℃提高到150℃时,对燃烧压力和放热率影响很小．上述研究表明,较低的直喷燃料喷射压力和适当提高进气温度更有利于氨燃料的稳定着火以及燃烧速率的提升和氨在双燃料中占比的提高．     

燃料分层对乙醇/柴油双燃料发动机循环波动的影响

基于一台单缸柴油机,采用进气道喷射乙醇同时缸内直喷柴油的方式实现双燃料预混压缩着火(PCI)燃烧模式.固定发动机转速和负荷,通过调整预混乙醇比例以及柴油直喷策略,实现了不同程度的混合气燃料分层,并测量了相应的发动机循环波动特性,试验中NOx排放和COVIMEP分别控制在0.4 g/(kW·h)和7%以下.结合数值模拟研究了混合气燃料分层对双燃料发动机循环波动的影响,结果表明:燃料分层直接影响双燃料发动机循环波动.首先,着火正时在上止点附近时有助于降低双燃料发动机循环波动,乙醇预混当量比、柴油直喷中主喷油量以及主喷正时直接影响混合气初始着火区域燃料活性以及当量比,进而影响混合气着火正时.其次,混合气着火正时稳定性对于保证双燃料发动机燃烧稳定性较为关键.此外,燃烧相位以及缸内爆压不变,采用较高的乙醇预混比例结合推迟的主喷正时可以实现更加稳定的着火,进而降低双燃料发动机循环波动率.     

基于两阶段燃油喷射的直喷汽油机离子电流特性的试验

基于两阶段燃油直喷的汽油机研究了首次喷油时刻、第2次喷油时刻、两阶段喷油比例以及点火时刻对起动首循环缸内燃烧离子电流特性的影响.分析了不同燃烧边界条件下直喷汽油机缸内燃烧反相离子电流峰值及其相位的变化,进而探讨了缸内压力及放热率之间的关系.此外,分析了分层燃烧直喷汽油机典型燃烧情况下的离子电流波形特征,并且对比了分层混合气和均质混合气燃烧模式下离子电流波形特征.结果表明,调整首次喷油时刻、第2次喷油时刻以及两阶段喷油比例主要是改变缸内混合气形成特性,尤其是火花塞附近的局部混合气浓度,影响了火焰传播速度,进而也影响了形成的离子电流的强弱.提前和推迟点火时刻均导致反相离子电流峰值减小.另外,4种典型的燃烧(失火、部分燃烧、伴有后燃以及正常燃烧)情况下,离子电流波形特征有着显著的差异,且反相离子电流峰值和积分信号在4种情况下依次增大,伴有后燃的情况下在做功冲程后期再次出现离子电流峰值波形.     

热分层对HCCI燃烧过程的影响

在一台经改装的单缸光学发动机上进行不同热分层下均质压燃燃烧过程实验研究.保证每循环供油量一定,燃料为正庚烷,转速为600 r/min,进气压力为0.1 MPa,进气温度分别为95℃和125℃;循环冷却水温度分别为55℃、65℃和85℃.研究结果表明,冷却水温度和进气温度的变化,改变了缸内温度分布,对HCCI这种受控于化学反应动力学的燃烧过程有很大影响,引起微弱自燃着火、局部燃烧淬熄和相对均匀燃烧等不同燃烧过程;缸内热分层越大,自燃着火传播速度越慢,燃烧的不均匀性越大;增大缸内热分层,可以降低燃烧反应速率,具有拓宽HCCI运转工况范围的潜力.     

废气再循环与燃料辛烷值对均质压燃燃烧特性影响的试验研究

在一台单缸直喷式柴油机上研究了废气再循环（EGR）对不同辛烷值燃料均质压燃（HCCI）燃烧特性及排放特性的影响.结果表明,EGR使HCCI着火燃烧推迟、燃烧反应速度降低、缸内压力和平均温度降低,HCCI工况范围向大负荷工况扩展;混合气浓度增大或燃料辛烷值增大,EGR对燃烧效率的影响增大,EGR率升高,燃烧效率降低;不同辛烷值燃料最高燃烧效率出现在高比例EGR率、混合气较浓、靠近爆震燃烧边界的区域.试验结果也表明,辛烷值为60的燃料采用EGR后HCCI覆盖的工况范围最宽.     

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。     

多缸汽油HCCI发动机燃烧循环变动的研究

在均质混合气压燃(HCCI)发动机研发中多缸不均匀性是一个重要的问题.通过在缸内直喷汽油机(GDI)上采用两次燃油喷射和可变配气技术来控制缸内混合气形成和燃烧,实现了SI/HCCI复合燃烧方式,研究了汽油HCCI发动机在不同燃烧模式下的多缸燃烧循环波动特性.研究结果表明:在汽油机中低负荷典型工况下,HCCI燃烧pi的缸内循环波动率小于2%,缸间循环波动率小于3%;HCCI发动机缸间循环波动主要受进气量的影响,与SI燃烧模式相比,采用稀燃模式的汽油HCCI燃烧缸间循环波动较小,HCCI燃烧的压力升高率和最高燃烧压力的循环波动率较小.     

进气压力和喷油对二冲程汽油机稀燃特性的影响

利用三维数值模拟软件CONVERGE研究了在循环喷油量和点火时刻固定的大负荷条件下,进气压力对二冲程直喷汽油机缸内燃油分布和稀燃特性的影响.结果表明,在相同的第2次喷油比例下,随着进气压力的升高,气缸内燃油浓度降低.在相同的进气压力下,随着第2次喷油比例的增加,火花塞附近的燃油浓度先减小后增加.在第2次喷油比例为70%,时燃油分层形式最有利于燃烧.在相同的第2次喷油比例下,随着进气压力的升高,着火时刻逐渐提前,燃烧持续期先略有缩短后又增长,最大压力升高率先增加后减小.在相同的进气压力下,随着2次喷油比例的增加,着火时刻先略有推迟后提前,燃烧持续期先增长后缩短,最大压力升高率先减小后增加.气缸内燃油浓度和温度分层形式影响火焰传播过程中气缸周围混合气的自燃特性.提高进气压力能降低气缸周围混合气的浓度,抑制自燃的发生.     

利用火花点火式快速压缩装置进行天然气直喷分层燃烧可行性的研究

利用快速压缩装置进行了天然气直喷分层燃烧可行性的研究。结果表明 :天然气分层燃烧具有短的初期火焰发展期和主燃期以及高的燃烧压力。分层燃烧可使稀燃极限延伸到很小的当量比。由于过度分层 ,CO在当量比大于 0 .8时急剧增加 ,而 NOx 的峰值也因充量分层而出现在小当量比处。燃烧效率在当量比处于0 .1～ 0 .9范围时高于 0 .92 ,在极小当量比时由于未燃混合气淬熄 ,在当量比时由于过度分层而使燃烧效率降低。根据燃烧产物计算的燃烧效率与根据放热分析获得的燃烧效率一致。因此 ,天然气直喷分层燃烧在宽广的当量比范围内可望实现高效燃烧火花助燃发动机的宽广的高效燃烧。