直喷二甲醚对稀汽油混合气燃烧过程影响的研究

在一台四冲程单缸汽油机上,通过缸内直喷二甲醚(DME)实现了空气稀释汽油混合气的稳定燃烧。研究结果表明:在1 500r/min下,固定循环燃油热值时,直喷DME可以降低汽油机稀燃下的循环变动,加速初期火焰发展速度,缩短燃烧持续期,提高汽油稀燃稳定燃烧的过量空气系数上限。稀燃和直喷DME相结合可以改善发动机在稀燃下的燃油经济性。与理论空燃比混合气相比,稀燃能使指示燃油消耗率最多降低11.7%。改变点火时刻和直喷DME比例能实现不同过量空气系数下的最佳燃烧相位。随着过量空气系数的增加,最佳放热中心相位提前。     

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。     

氢含量对氢气_甲烷混合气扩散燃烧特性的影响研究

用实验与数值模拟手段研究了含氢量对氢气/甲烷混合燃料的扩散燃烧特性的影响,结果表明,在保持燃料总发热量不变的前提下,含氢量的增加并未使火焰长度发生显著变化,这是由于含氢量增加引起火焰缩短的趋势与燃料流量增加引起火焰加长的趋势共同作用的结果。所有燃料火焰的最高温度都发生在回流区内,随着含氢量的增加,火焰高温区域的轴向高度越来越大。火焰稳定性随着含氢量的提高而显著加强。OH基浓度分布的PLIF测量结果表明,随着含氢量的增加,火焰根部的边界越来越清晰,这说明根部的燃烧强度越来越剧烈。NOx排放浓度随着燃料中含氢量的增加而呈指数上升趋势,并与火焰温度的变化趋势相符合。燃料含氢量从0%增加到80%时,NOx浓度相对增加了46%,而从80%增加到100%时,NOx浓度相对增加了48%。从这个角度上说,含氢量80%的燃料也许比纯氢燃料更具有优势。     

二甲醚／空气预混合气燃烧特性

利用定容燃烧弹研究了不同当量比和初始压力下的二甲醚/空气预混合气的燃烧特性,并基于准维双区模型计算了二甲醚/空气预混合气燃烧特征参数.研究结果表明:在各初始压力条件下,化学计量比附近的混合气压力升高率和混合气质量燃烧速率最大.对于稀混合气和当量比混合气,火焰传播速率随初始压力的降低而增加;而对于浓混合气,火焰传播速率随初始压力的降低而降低.最高燃烧压力出现在化学计量比附近而与初始压力无关.对于给定的当量比,最高燃烧压力随初始压力的增加而明显增加.在化学计量比附近,燃烧持续期和火焰发展期最短且基本上不随初始压力变化.     

二甲醚-空气混合气层流燃烧速度的测定

在定容燃烧弹中利用高速纹影摄像法系统地研究了不同燃空当量比和初始压力下二甲醚-空气混合气的层流燃烧特性.利用球形扩散火焰理论分析纹影照片,获得了不同初始压力和当量比下的二甲醚-空气混合气层流燃烧速率.结果表明：随着初始压力的增大,层流燃烧速率显著减小,层流燃烧速率的峰值向浓混合气侧偏移.拉伸层流燃烧速率随拉伸率的增加而增加,拉伸层流质量燃烧速率随拉伸率的增加而减小.根据球形扩散火焰模型得到混合气的马克斯坦长度值表明：在各初始压力下,随着当量比的增加,二甲醚-空气混合气的马克斯坦长度值逐渐减小,火焰前锋面的不稳定性增加.     

直喷二甲醚在汽油机中压缩自燃特性的试验研究

在一台单缸光学发动机中,利用高速摄像和热力学分析方法,研究了不同缸内残余废气率(iEGR率)下DME喷射时刻(SOI)从曲轴转角-15°变化到-40°过程中自身的燃烧过程。结果表明,在不同iEGR率下,随着SOI提前,燃烧重心前移,燃烧持续期减小,放热率峰值增加,当到达某一特定的SOI值之后,燃烧重心后移,燃烧持续期增加,放热率峰值减小。当SOI在-25°～-15°范围内时,iEGR率32%工况下的燃烧相位迟于iEGR率25%工况,而当SOI为-30°和-40°时iEGR率为32%下的燃烧相位较早。火焰的形态与DME的自燃区域有关。随着SOI提前,初始自燃点逐渐远离喷嘴侧,自燃区域更为分散。在不同工况下,随着瞬时放热率增加,火焰的相对光强增加,用相对光强变化趋势可以表征瞬时放热率的变化。     

二甲醚发动机燃烧模型的建立

根据直喷式四冲程柴油机的工作特点,结合传统柴油机的燃烧模型,建立适合于二甲醚发动机的燃烧模型,并进行模拟计算。模拟结果与试验结果比较吻合,表明该模型具有一定的适用性。     

二甲醚-空气-N2/CO2混合气燃烧特性研究

在定容燃烧弹中系统地研究了常温常压下,不同稀释气、不同稀释系数、不同燃空当量比时二甲醚-0空气-稀释气混合气的燃烧特性.基于容弹计算的准维双区模型和实测的燃烧压力数据,计算了燃烧温度及规范化质量燃烧速率.研究结果表明:随着稀释系数的增加,最大燃烧压力值、最高燃烧温度值以及规范化质量燃烧速率均降低,而火焰发展期和快速燃烧期随稀释系数的增加而增加.研究发现,CO2作为稀释气体时对燃烧温度降低的效果较N2作为稀释气体时更加明显.     

不同负荷下二甲醚发动机缸内燃烧过程的数值仿真研究

利用KIVA-3V程序对液态DME发动机进行了数值仿真计算,通过改变二甲醚喷射量研究了不同负荷下发动机的缸内工作过程,得到了缸内流动、平均性能曲线、温度、压力场以及NO、CO排放情况等实时数据信息.经过可视化后处理程序对比分析表明:二甲醚发动机负荷越大,缸内压力和温度越高,NO和CO排放量也越大.     

喷油系统参数对二甲醚喷雾燃烧过程影响的实验研究

对发动机喷油系统参数对二甲醚(DME)喷雾燃烧过程的影响进行了实验研究，包括喷孔直径和喷油提前角对喷雾燃烧过程的影响。研究结果表明，喷孔直径对DME着火滞燃期和燃烧持续期几乎没有影响，喷孔直径增大，喷雾核心贯穿距增大，燃烧火焰在壁面附近持续时间延长；对于小孔径喷油嘴，燃烧火焰在喷嘴附近持续时间较长，在燃烧中后期可以看到明显的火焰亮光，表明小孔径喷油嘴易产生泄漏，而且随着孔径减小，亮度加强，泄漏越严重；示功图分析结果表明，喷孔直径增大，缸内工质平均温度升高，平均有效压力增大，大孔径喷油嘴有利于提高发动机热效率，但会导致NOx排放升高，在实验条件相当的情况下，喷油提前角对二甲醚着火滞燃期和燃烧持续期几乎没有影响。     

高速二甲醚发动机降噪声研究

选择了燃烧噪声的研究方法,对二甲醚发动机噪声的影响因素进行了试验研究和分析,明确了降低噪声的有效途径。通过本文的试验研究,可将原498型柴油发动机的燃烧噪声降低4.2dB。     

基于FGM模型的同轴射流非预混火焰大涡模拟

采用直接数值模拟方法对二甲醚(Dimethyl Ether,DME)射流推举燃烧进行了研究（DNS）,分析了DME射流推举火焰结构、燃烧模式和推举稳定机理。数值模拟工况条件为：燃料由狭缝射出,初始温度500 K,射流速度138 m/s;伴流空气的初始温度1 000 K,流速3 m/s,压力为0506 6 MPa。研究表明：DME射流推举火焰与传统的边火焰有很大不同,在射流核心区内存在1条低温放热分支以及紧随其后的中温着火分支,并且推举稳定点位于贫燃侧;DME湍流射流推举火焰包含冷焰反应区(Cool Flame Zone,CFZ)、中温反应区(Intermediate Temperature Zone,ITZ)、富燃高温区(High Temperature Rich Burn Zone,HTR)以及贫燃高温区(High Temperature Lean Burn Zone,HTL)4种模式;在CFZ与ITZ区内湍流混合占主导,并且湍流混合会抑制低温放热;在HTR与HTL区内放热速率占主导地位,但是湍流会显著增强超贫燃区间内的高温放热速率;大部分热量在HTL和HTR区产生,而CFZ和ITZ区对总体产热的贡献微乎其微,但是所产生的中低温组分加快了高温着火过程;射流推举稳定性由贫燃侧的高温自着火反应机制所控制。     

二甲醚发动机的供油、燃烧与排放

文章介绍了国内外关于二甲醚发动机供油、燃烧及排放方面的研究成果。     

二甲醚在发动机气缸内喷雾燃烧过程的实验研究

在可视化光学发动机上进行了二甲醚(DME)喷雾燃烧过程的试验，应用高速数字摄像机拍摄了柴油和二甲醚缸内喷雾燃烧过程，并应用计算机高速采集系统同步测量了缸内压力．高速摄影照片表明，二甲醚一离开喷嘴就迅速蒸发，可以明显看到缸内气流运动对油速“核心”的吹散作用，并造成二甲醚的碰壁油量较柴油的少．和柴油相比，二甲醚着火滞燃期短，着火位置更靠近燃烧室壁面，着火面大，燃烧初期火焰发展迅速．二甲醚压升滞燃期比发火滞燃期明显减小，而柴油两者几乎相等．在相同热值燃料条件下，发动机燃用柴油和二甲醚时，缸内最大爆发压力、燃烧放热率和平均指示压力几乎一样．高速摄影很难拍摄到二甲醚燃烧初期和后期的火焰照片．研究结果还表明，较小的涡流比有利于提高二甲醚发动机的性能。     

二甲醚发动机性能模拟研究

模拟了以6135Z柴油机为原型的二甲醚发动机的缸内工作过程,分析在柴油机上直接燃烧二甲醚时动力性、济性下降的原因,并以恢复原机性能为目标进行优化,把优化后的二甲醚发动机与原柴油机性能进行对比．指出提高供油提前角,增大压缩比,提高供油量等都可以提高二甲醚发动机的性能。     

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。     

二甲醚火焰传播速度的实验研究

用对冲火焰法测量了二甲醚的层流火焰传播速度．在室温和常压下得到了当量比为0．76～1．76的火焰速度,并与文献中其他方法测量得到的结果进行了比较,表明本实验所得二甲醚的火焰传播速度相对更为合理．实验得到二甲醚的火焰传播速度最大值约为54cm／s．     

二甲基醚(DME)碰壁喷雾特性和燃烧特性试验研究

用阴影法和火焰直接成像法对二甲基醚（DME）碰壁喷雾特性和燃烧特性进行了试验研究。研究结果表明，二甲基醚碰壁后沿壁面发展特性与柴油极为相似，即沿壁面径向扩散，形成油雾的爬壁现象，二甲基醚沿壁面发展速度比柴油慢，但碰壁后的反弹量比柴油多；加热条件下二甲基醚碰壁试验研究表明，热碰壁沿壁面的发展速度比冷碰壁快，反弹量比冷碰壁多。在平板上方有一个明显的浓度梯度变化区域，碰壁后期在平板与燃烧室壁面存在一个二甲基醚浓度高的三角区域。二甲基醚碰壁对燃烧滞燃期影响不大，但着火位置造近壁面，大部分的二甲基醚都是着壁之后燃烧，并且燃烧火焰在高浓度的三角区域持续较长时间，因而碰壁燃烧持续期略有延长，与柴油相比，二甲基醚燃烧火焰几乎经过整个壁面上部燃烧室的区域，火焰经过的面积大。