二甲醚对甲烷稀混合气燃烧过程影响的可视化研究

在一台安装有进气道喷射甲烷和缸内直喷二甲醚(DME)的单缸光学发动机上,研究了DME喷射时刻对甲烷空气稀混合气压缩着火燃烧过程和火焰发展过程的影响。结果表明:在直喷DME下,气缸内的燃烧放热过程主要受到DME直喷时刻的控制。在-60°～-40°喷射DME时,放热率曲线呈单峰,在-30°～-15°喷射DME时,放热率曲线呈两阶段放热特征。气缸内的燃烧呈现自燃+火焰传播的特征。此外,DME喷射时刻还影响着火点的位置。随着DME喷射时刻的推迟,着火区域分布更加集中。与火花点燃甲烷燃烧相比,在压缩着火方式下,直喷DME能大幅提高甲烷/空气混合气燃烧初期的火焰传播速度,使燃烧放热过程加快。     

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。     

二甲醚均质压燃燃烧过程的试验研究

在一台单缸直喷柴油机上进行了二甲醚(DME)均质压燃(HCCl)燃烧过程的试验．研究结果表明，进气中加入30％的惰性气体CO2,发动机实现HCCl运转的负荷范围从0．05MPa扩展到0．35MPa．二甲醚在HCCl模式下表现出明显的双阶段着火特性，增加惰性气体的浓度，第一阶段着火始点滞后，燃烧放热峰值降低，燃烧持续期延长．排放测试表明，HCCl模式下发动机的NOx排放接近于零，可实现无碳烟排放，但CO和HC排放较高．     

基于吸收光谱方法的平面非预混Hencken火焰多参数测量

Hencken炉可以产生均匀稳定的平面火焰，常被用作各种激光诊断技术的标定．本研究设计制造了一种适用于吸收光谱测量的Hencken平面炉，利用CO₂在4.2mm带头位置吸收峰的高温敏感性，采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术研究了Hencken炉所产生平面火焰的燃烧特性．本研究采用DME作为燃料，同时测量了Hencken炉火焰温度及CO₂体积分数的二维分布．当空气/燃料流速与层流火焰传播速度相当时，DME平面Hencken火焰轴向存在温度、产物浓度稳定区．当火焰燃烧稳定时，在此区域内火焰温度、产物浓度保持不变并接近绝热火焰工况．     

NH3/DME混合物着火特性试验与数值模拟研究

为了探究NH₃/DME混合物的着火特性，利用激波管测量了初始温度T=1 250～1 800 K、当量比Φ=0.5～2.0、DME掺混比X_DME=0～1.0、压力p=1 MPa条件下NH₃/DME混合物的着火延迟时间。基于测量的试验数据，更新了Issayev等人构建的NH₃/DME燃烧反应动力学模型的部分基元反应，更新后的模型表现出对NH₃/DME着火延迟时间的良好预测。在此基础上，进一步开展了NH₃/DME着火特性值模拟研究。结果表明：NH₃/DME高温着火延迟时间随二甲醚(DME)掺混比的增加呈指数降低；NH₃/DME的着火延迟时间随当量比的增加先降低后升高，且不同温度下达到最低着火延迟时间的当量比不同；中低温下NH₃/DME的着火延迟时间随初始温度的变化规律与高温下不同，呈现出明显的负温度系数(NTC)现象。     

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。     

废气再循环对二甲醚/天然气双燃料均质压燃燃烧过程和排放特性的影响

在一台单缸直喷式柴油机上研究了冷却废气再循环(EGR)对二甲醚(DME)／天然气(CNG)双燃料均质压燃(HCCI)燃烧过程和排放的影响．结果表明，EGR率加大，着火时刻滞后，放热速率降低，燃烧持续期延长，DME比例加大，着火始点提前，放热率峰值上升，燃烧持续期缩短，EGR率增大，发动机“失火”和爆震燃烧的DME比例增大，但“失火”和爆震燃烧之间的DME比例区间变宽，EGR可以拓宽HCCI发动机的工况范围．对应不同比例的EGR，有一个热效率最佳的DME比例区域．HC排放和CO排放随EGR率的增高而增加，随DME比例的增大而降低．NO。排放在不发生爆震的情况下保持在极低的水平．因此，控制DME比例和EGR率是控制DME／CNG双燃料HCCI发动机燃烧过程、性能和排放的关键。     

组分H2/CO的比例对合成气非预混射流火焰燃烧特性的影响

采用一种14组分37步简化机理模型、RNG k-ε湍流模型以及稳态层流小火焰(SLF)燃烧模型，研究了N₂稀释条件下组分H₂/CO的比例对合成气燃烧特性的影响。数值模拟结果表明：当组分H₂/CO的体积比从3:7变化至7:3时，合成气燃烧过程中生成的OH自由基浓度上升，燃烧位置向入口靠近；火焰燃烧峰值温度随H₂/CO体积比的增大而下降，火焰峰值温度所在位置向燃料入口靠近；火焰传播速度随H₂/CO体积比的增大而加快，燃烧反应在更短的距离和时间内完成。     

二甲醚燃料均质压燃燃烧研究

在一台压缩比为16.5的2135柴油机上实现了纯二甲醚(DME)的均质充量压缩燃烧(HCCI)燃烧方式。试验结果表明,DME的HCCI燃烧模式不但可以实现无烟燃烧,还可以有效控制发动机NOx排放,使其接近于0。在试验负荷范围内,CO排放随负荷增加而降低;HC的排放随负荷变化不大。对DME的HCCI燃烧机理等进行的研究表明,由于纯DME的着火比较早(上止点前28°CA左右),发动机只能在中低负荷较小范围内运行。为了扩展发动机运行工况,控制HCCI着火,通过在DME中添加LPG以降低燃料十六烷值的方法和在进气中加入惰性气体CO2的方法来改进和控制HCCI的燃烧。试验表明以上两种方法都可以有效的控制HCCI燃烧,拓展HCCI发动机运转范围。     

CO2/O2环境对柴油着火及燃烧特性的影响

为研究CO₂/O₂环境对柴油着火和燃烧特性的影响,以正庚烷为柴油表征燃料,利用CONVERGE计算了不同CO₂/O₂环境下正庚烷的着火和燃烧过程,并搭建了可视化定容燃烧弹试验平台进行了验证。使用高速摄影机记录了初始温度850 K,初始压力3 MPa,CO₂体积分数分别为35%、40%、50%和60%时正庚烷燃烧的自发光强度,利用CHEMKIN中定容均质反应器分析了CO₂物理和化学作用对着火的影响。研究结果表明：在CO₂体积分数35%时存在爆燃的现象,随着CO₂体积分数增长,着火延迟时间增长,着火位置远离喷嘴,稳态燃烧阶段火焰的长度和宽度也增大,CO₂体积分数在50%～60%之间时火焰自发光强度峰值明显下降;CO₂的物理作用抑制了着火,第三体作用对着火的促进作用大于直接参与反应对着火的抑制作用,造成CO₂的化学作用缩短了着火延迟时间,并且随着CO     

甲醇缸内直喷热氛围燃烧的试验研究

在单缸直喷式柴油机上进行了二甲醚(dimethyl ether,DME)气道喷射和甲醇缸内直喷的甲醇热氛围燃烧试验研究．结果表明,该燃烧方式呈现分布式放热规律,燃烧过程可分为DME低温放热、高温放热和甲醇扩散燃烧 3个阶段．随负荷的增加,实现稳定燃烧的最小DME比例减小．随DME比例减小,DME高温放热和甲醇燃烧滞后．在稳定燃烧的情况下,随DME比例的增大,燃烧效率和热效率降低,HC和NOx排放呈上升趋势,而CO排放先升高后降低．综合考虑,采用最小比例DME有利于提高其热效率、降低排放．此时热效率、HC排放与原柴油机相当, NOx降低约50％,但CO排放相对原柴油机有较大幅度的增加．     

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。     

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。     

废气再循环对二甲醚/甲醇均质压燃燃烧过程影响的试验研究

在单缸柴油机上进行了冷却废气再循环(EGR)对二甲醚(DME)/甲醇均质压燃(HCCI)燃烧过程影响的试验研究。结果表明,EGR对拓宽二甲醚/甲醇HCCI发动机的最大负荷作用不大;随着EGR率增大,主燃烧开始时刻和放热峰值明显后移,主燃烧持续期延长,放热峰值降低。EGR率为25%时的最大爆发压力比没有EGR时降低了近1.3 MPa,最大爆发压力出现的位置推迟了7°CA;EGR率增大,二甲醚/甲醇HCCI发动机的指示热效率升高。对应给定的EGR率,存在一个热效率较高的DME比例区间;HC和CO排放随EGR率的增大而增加,随DME比例的增加而降低,NOx排放接近于零。控制EGR率和DME比例是控制二甲醚/甲醇HCCI发动机燃烧过程、性能和排放的关键。     

聚甲氧基二甲醚–2燃烧动力学模型及试验研究

采用试验研究与动力学建模相结合方法,对聚甲氧基二甲醚-2(polyoxymethylene dimethyl ethers-2,PODE₂)的中低温燃烧特性进行了研究。基于二甲氧基甲烷(dimethoxymethane,DMM)详细反应机理,遵循基于反应类的速率准则构建了PODE₂详细化学反应动力学机理,并与文献试验数据进行了验证;在快速压缩机试验平台测量了PODE₂在温度范围为550～900 K,当量比为0.5、1.0、2.0时着火延迟时间,结合所构建的详细反应机理,对PODE₂中低温条件下自着火过程控制因素进行了分析。结果表明,所构建的PODE₂反应机理可以很好地再现试验测量的着火延迟时间,对文献中现有的试验数据均能给出合理的预测。PODE₂自着火过程呈现明显的两阶段着火现象,没有表现出负温度系数(negative temperature coefficient,NTC)行为;PODE₂第一阶段着火延迟时间在低温段随温度呈线性变化...     

二甲醚柴油各组分含量数值模拟研究

为了实现发动杌的清洁、高效燃烧,二甲基醚作为压燃式发动机的代用燃料已经引起了国内外的广泛关注.本文在KIVA源程序中向燃料库添加液态DME的各种物性参数数据模块等以建立二甲醚燃料库,针对二甲醚燃料建立了油束模型和燃烧模型,并把这些数学模型耦合入KIVA后形成子程序并建立了二甲醚燃烧数值仿真计算平台.利用建立的平台计算了燃烧二甲醚柴油时的各组分含量.数值模拟表明:仿真结果与试验结果相同,所建立的二甲醚燃烧过程数值模拟平台具有一定的实用性.结果表明:燃用二甲醚的发动机与燃用柴油比较,缸内组分CO、CO2量较少.     

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。     

甲醇／二甲醚双燃料发动机的排放研究

采用甲醇和二甲醚(DME)双燃料实现均质压燃(HCCI)和复合燃烧,研究了这两种燃烧方式的排放特性.结果表明,HCCI有着极低的NOx排放,而复合燃烧在HC排放上占有优势.采用大的DME比例可以降低HC和CO排放,但NOx排放升高.HCCI燃烧的NOx和CO排放与缸内温度有着明显的对应关系;HC排放不仅与缸内温度有关,还与燃烧室几何参数有关.根据不同工况选取适当的甲醇喷射时刻,可以取得复合燃烧输出功和NOx排放间的平衡.     

PODE3/异辛烷二元燃料实验与简化动力学模型研究

聚甲氧基二甲醚(PODE)具有高十六烷值、高含氧量和互溶性好等燃料特性,目前PODE通常与传统燃料混合使用,具有显著改善内燃机热效率和有害物排放的潜力．本文首先基于射流搅拌反应器开展典型汽油替代物异辛烷与高活性代用燃料PODE₃混合燃料的低温氧化实验,然后通过简化PODE₃详细机理并耦合异辛烷/正庚烷机理构建了包含108个组分和434个反应的PRF-PODE₃简化机理．利用该机理模型对PODE₃/异辛烷燃料进行了滞燃期、层流预混火焰和射流搅拌反应器的实验验证并获得了良好的预测结果．PODE₃/异辛烷低温氧化实验及模拟结果表明,掺混PODE₃后,会在低温反应阶段产生大量的OH、HO₂、CH₃等活性基,从而促进异辛烷的低温反应,且随着掺混比例的提高,异辛烷低温反应明显增强．异辛烷中添加PODE₃对于CH₄、C₂H₆等中间产物影响较...     

利用同步辐射研究乙醇和二甲醚低压预混火焰成分

在低压预混层流火焰条件下,利用同步辐射光电离技术,结合分子束质谱法,对当量比为1的二甲醚和乙醇火焰进行了研究.通过扫描火焰中光子的能量,描绘出PIE曲线,探测到了这两种燃料燃烧过程中包含的同分异构中间产物;同时,通过扫描燃烧炉不同位置的光子能量谱,获得了火焰中重要物质的摩尔分数.比较两者的火焰结构,结果表明,这一对同分异构的燃料燃烧时,由于分子结构不同,它们的中间产物和相同中间产物的摩尔分数有很大差异,含氧的中间产物摩尔分数有较大差异.另外,在二甲醚火焰中还发现了甲乙醚,拓宽了对含氧碳氢化合物燃烧的认识.