二甲基醚/天然气双燃料均质压燃详细化学反应动力学数值模拟研究(Ⅱ)--二甲基醚/天然气反应机理研究

应用零维详细化学反应动力学模型研究了二甲基醚／天然气双燃料均质压燃燃烧反应机理。结果表明由于两种燃料相互作用，DME低温反应进行程度很小，没有第二次加氧过程，β-scission起主导作用，大部分甲醛由CH3O生成，而不是DME的低温反应；H2O2主要由DME控制，H2O2浓度升高促进了天然气的低温反应进行；另一方面，天然气低温反应放热也促进了DME的氧化反应，OH浓度升高，使CO能够全部氧化。计算结果表明，在压缩比较高的条件下，天然气浓度变化对DME稀燃极限几乎没有影响，但压缩比较低时，随着天然气浓度升高，DME稀燃极限浓度升高。     

二甲基醚/天然气双燃料均质压燃过程详细化学反应动力学数值模拟研究(Ⅰ)--二甲基醚反应机理研究

应用零维详细化学反应动力学模型对二甲基醚均质压燃燃烧反应机理进行了数值模拟研究。结果表明二甲基醚放热反应为典型的双阶段放热反应，经历低温反应、负温度系数区域和高温反应三个过程．高温反应又分为蓝焰和热焰两个阶段。二甲基醚自燃着火由过氧化氢(H2O2)分解所控制，甲醛(CH2O)是过氧化氢的主要来源。基于化学敏感性分析．得到了均质压燃二甲基醚反应的主要途径：首先是二甲基醚脱氢，经过两次加氧后得到甲醛基；然后生成甲酸基(HCO)；最后生成一氧化碳(CO)。在二甲基醚的氧化反应过程中，氢氧根(OH)发挥着重要的作用，它是二甲基醚脱氢反应和CO氧化过程中的主要自由基。     

二甲基醚/甲醇双燃料均质压燃低温氧化反应机理数值模拟

应用零维详细化学反应动力学模型，研究了二甲基醚(DME)／甲醇双燃料均质压燃低温氧化反应机理，考察了初始温度、甲醇浓度和二甲基醚浓度对低温氧化反应的影响．结果表明，甲醇改变了二甲基醚低温反应途径，二甲基醚的低温和二次加氧过程受到抑制，CH3OCH2直接裂解(β-scission)起主导作用，二甲基醚与甲醇高温反应几乎同时进行．温度升高，高温脱氢反应和β-scission增强；低温脱氢反应速率增大，反应时刻提前，高温脱氢反应速率先增大后减小，加氧反应速率随着DME浓度增大而增大，β-scission反应速率先增大后减小；甲醇浓度增大，DME低温脱氢反应速率降低，高温脱氢反应速率先增大后降低，β-scission反应速率随甲醇浓度增大而减小，加氧反应速率则随甲醇浓度增加而升高．     

二甲基醚/天然气双燃料均质压燃的燃烧特性

应用零维热力学模型和化学反应动力学模型计算并分析了二甲基醚(DME)／天然气(CNG)双燃料均质压燃(HCCI)运行工况范围，计算与试验结果相吻合．采用DME／CNG双燃料方式可以有效地扩展HCCI的运行工况范围，发动机转速为1400r／min，最大平均有效压力可达O．52MPa．在一台单缸直喷式柴油机上进行了DME／CNG双燃料HCCI燃烧过程的试验研究，结果表明，DME／CNG双燃料燃烧过程表现出明显的两阶段放热过程，随着CNG浓度增大，缸内最大爆发压力增大，燃烧始点略有推迟，燃烧第二放热峰值增大．而DME浓度对燃烧过程的影响主要通过影响第一阶段放热过程，进而影响第二阶段放热，随着DME浓度加大，第一放热峰值增大，燃烧始点提前，导致第二放热峰值增大，缸内最大爆发压力增大，主燃期缩短，当DME浓度太高时，发动机将出现爆震．     

正庚烷均质压燃燃烧反应化学动力学数值模拟研究

应用零维详细化学反应动力学模型，对正庚烷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，分析了在内燃机边界条件下影响其燃烧反应的关键基元反应、关键中间产物以及自由基。结果表明，正庚烷的燃烧过程由高温反应和低温反应两个阶段组成，高温反应阶段又可以分为蓝焰反应和热焰反应两个阶段。正庚烷氧化反应首先经过脱氢反应，第一次加氧异构化后的第二次加氧是低温反应的必经途径，其产物的两次分解是低温反应阶段OH自由基的主要来源；蓝焰反应阶段主要是甲醛氧化成CO的过程，H2O2的热分解是控制该阶段反应最重要的基元反应，也是OH自由基的主要来源；热焰反应主要是CO氧化成CO的过程；CO的生成途径是：低温反应生成的甲醛(CH2O)脱氢生成HCO，HCO氧化生成CO，OH是CO氧化为CO2和正庚烷脱氢反应最重要的自由基。     

DME／CNG双燃料均质压燃发动机性能试验研究

研究了二甲基醚和天然气双燃料均质压燃发动机性能和排放特性.结果表明,采用高十六烷值燃料二甲基醚和高辛烷值燃料天然气,可以拓宽均质压燃的运行工况范围.均质压燃发动机在中等负荷工况,热效率比传统压燃式发动机高.小负荷工况,采用二甲醚和大比例EGR方案可以提高热效率.和传统压燃式或点燃式发动机不同,均质压燃发动机的着火始点对经济性影响不大.均质压燃发动机的NOx排放极低,比原机降低95%以上.随着二甲基醚浓度增加,NOx排放增加,HC和CO排放降低;接近爆震燃烧区域,NOx排放急剧升高,而接近稀燃极限区域,HC和CO排放急剧升高,发动机热效率降低.     

二甲基醚均质压燃化学动力学简化模型的研究

由于详细的化学动力学模型与多维流动动力学模型耦合的高度复杂性,很难将其应用于模拟实际发动机的工作过程。在详细反应动力学研究基础上,通过对二甲基醚(DME)均质压燃燃烧反应途径和敏感性分析,建立了均质压燃二甲基醚的简化动力学模型。此模型在Curran et al模型基础上构建,包括26种产物和28个基元反应。结果表明,提出的二甲基醚简化动力学模型与详细动力学模型计算结果相当吻合,简化模型在对着火时刻、缸内温度和压力计算结果与详细模型基本一致,简化机理对变初始温度和混合气浓度也有较好的预测能力,可应用于模拟二甲基醚HCCI的燃烧过程。     

柴油引燃天然气发动机燃烧模型的研究

分析了均质充气柴油引燃天然气发动机的燃烧过程，以简单的一步表观反应动力学概念的阿伦纽斯(Arrhenius)公式为基础，综合湍流对化学动力学的影响，提出了一个新的燃烧模型。通过试验对模型进行了验证。此外对双燃料发动机的燃烧过程进行了分析，发现了柴油引燃的天然气发动机燃烧过程具有两阶段特性，即：第一阶段以迅速扩展的均匀温度梯度区为主要特征，第二阶段呈现均质压燃的燃烧特征。分析结果表明，双燃料发动机的燃烧是有别于传统发动机燃烧和均质压燃燃烧的一种独特燃烧现象。     

臭氧对天然气HCCI发动机燃烧影响的数值研究

HCCI(均质充量压燃)发动机的燃烧过程主要是受到燃料本身的化学反应动力学控制,因此改变燃料的化学性质能够有效地控制HCCI发动机的燃烧过程。由于天然气不易压燃的化学特性,所以天然气HCCI发动机低负荷运行时,会因燃烧反应速率过慢而出现火焰温度低、燃烧不充分甚至"失火"等现象。本研究中,通过耦合详细介绍天然气和臭氧(O3)的燃烧反应机理,并结合HCCI单区模型,模拟计算了进气道添加O3对天然气HCCI发动机燃烧相位的影响并进行化学反应路径分析。通过模拟计算与试验结果对比得出:进气道中添加10~40 ppm的O3可以改变天然气的燃烧反应路径,实现对天然气HCCI发动机燃烧相位的控制。低浓度的O3能有效地改变天然气低温燃烧时的燃烧相位并提高缸内燃烧压力,拓宽天然气HCCI发动机低负荷工况范围。     

压缩比、CO2对二甲醚均质压燃影响的数值模拟

利用化学反应动力学软件建立二甲醚均质压燃燃烧模型,研究了压缩比和进气掺入CO2对二甲醚均质燃烧的影响。结果表明：增大压缩比加快了二甲醚基元反应速率,使着火提前,燃烧压力、温度上升;进气中加入CO2可以延迟着火时刻,降低缸内压力和温度;CO2对二甲醚均质压燃高温燃烧阶段影响更大。     

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．     

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。     

双燃料HCCI燃烧的优化策略

对有废气再循环(EGR)的情况下单一二甲基醚(DME)、DME／甲醇(Methanol)和DME/天然气(CNG)双燃料的均质压燃(HCCI)燃烧进行了实验研究．研究结果表明,单一DME的HCCI只能在小负荷下实现．采用DME／甲醇双燃料后,HCCI的负荷范围达到了原柴油机中高负荷水平．EGR能扩大双燃料HCCI的可控燃烧范围,但对扩展双燃料HCCI燃烧的负荷范围作用不大．分层燃烧技术有扩大双燃料发动机的负荷范围到大负荷的潜力．DME／甲醇双燃料HCCI的指示热效率要优于DME／CNG．在低负荷工况,采用单一DME加EGR的HCCI燃烧能获得更好的经济性指标．     

醇醚双燃料发动机均质压缩燃烧试验研究

以ZS195型直喷式柴油机为原型机,开展了进气道喷射醇醚混合燃料HCCI试验研究。试验研究结果表明,甲醇的添加能够抑制二甲醚(DME)低温反应,降低缸内最大爆发压力和燃烧温度,推后主燃烧反应时刻,解决二甲醚的过快和过早燃烧,可以有效调节HCCI着火时刻和扩展其运行工况。双燃料HCCI发动机的指示热效率最高可以达到49%左右,超过原柴油机10%。通过调节甲醇喷油量,可实现HCCI燃烧着火点可控以及扩展HCCI发动机运行负荷范围。     

Production of dimethyl ether and hydrogen by methanol reforming for an HCCI engine system with waste heat recovery – Continuous control of fuel ignitability and utilization of exhaust gas heat

Homogeneous charge compression ignition (HCCI) is a promising technique to achieve high thermal efficiency and clean exhaust with internal combustion engines. However, the difficulty in ensuring optimal ignition timing control prevents its practical application. Previous research has shown that adjusting the proportion of dimethyl ether (DME) and hydrogen-containing methanol-reformed gas (MRG) can control the ignition timing in an HCCI combustion engine fueled with the two fuels. As both DME and MRG can be produced in endothermic methanol reforming reactions, onboard reforming utilizing the exhaust gas heat can recover the waste heat from the engine. A very high overall thermal efficiency can be achieved by combining the high engine efficiency with HCCI and the waste heat recovery. This research investigates the basic characteristics of methanol reforming in a reactor tube with different catalysts with the aim to produce fuels for the HCCI combustion system.