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．     

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。     

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．     

废气再循环对二甲基醚均质压燃燃烧过程影响的试验研究

在一台单缸发动机上进行了废气再循环(EGR)对二甲基醚(DME)均质压燃(HCCI)燃烧过程影响的试验研究。结果表明，EGR比例小于20％对运行最大负荷工况范围影响不大；采用高比例EGR可以拓宽DME均质压燃运行工况范围，随着EGR率增大，HCCI运行的最大负荷工况增大，着火燃烧时刻推迟，燃烧放热率降低，缸内最大爆发压力降低，发动机热效率增大；EGR率小于75％，HC排放略有降低或相当，EGR率为75％时，HC排放显著增加；EGR率大于25％，随着EGR率增加，CO排放增大，小负荷工况尤其明显，在中高负荷工况，EGR率对CO排放影响较小。     

内外EGR拓展汽油HCCI发动机高负荷的试验研究

均质混合气压缩着火(HCCI)是一种高效低排放的燃烧方式,但与传统汽油机相比,HCCI发动机受爆震和NOx排放的限制运行范围较窄,自然吸气HCCI发动机的最大IMEP约为0.5MPa.在一台四冲程缸内直喷汽油机上,研究了内外EGR结合对HCCI高负荷拓展的作用.试验结果表明:HCCI发动机所能达到的最大IMEP从0.41MPa拓展到0.59MPa.在相同油量下,随着外部EGR率的增加,燃烧持续期明显增加,燃烧温度大幅度下降,NOx排放大幅降低.同时,HCCI燃烧可通过调整内外EGR的比例来加以优化.     

废气再循环和发动机运转参数对不同辛烷值燃料HCCI燃烧的影响

考察了废气再循环(EGR)、进气温度、冷却水出水温度和转速等发动机运转参数对HCCI发动机燃烧特征和排放特性的影响。实验结果表明：随EGR率提高,各种燃料的两阶段着火时刻推迟,燃烧持续期延长;高十六烷值燃料可以容许较高的EGR率,RON75最高仅可以采用45％的EGR;EGR对高十六烷值燃料的CO和UHC影响不大,对高辛烷值燃料的CO影响明显,并随EGR率增加CO排放升高。在其它运转参数中,进气温度对HCCI燃烧影响最为显著,随进气温度提高、冷却水温度升高,HCCI燃烧的着火时刻提前、燃烧持续期缩短,高辛烷值燃料的UHC和CO显著降低。转速升高,着火延迟,燃烧持续期延长。此外,研究发现,高辛烷值燃料对HCCI发动机的运转参数更为敏感。     

天然气加氢改性对柴油引燃气体发动机排放特性和经济性影响的研究

在分析柴油／CNG双燃料发动机高THC排放来源的基础上，首次提出“柴油／CNG双燃料发动机加氢燃烧”的概念．利用氢燃烧速度快，燃烧界限宽，比热值小，淬熄长度长等特点，改善气体燃料的燃烧特性，达到降低THC排放的目的．试验中，在ZH1115单缸直喷柴油机的进气口加装电控喷气阀，实现了CNG和氢气的可控比例气口喷射，并且在这台发动机上进行了纯柴油、双燃料(柴油／CNG)和双燃料加氢的比较试验．研究了加氢对柴油／CNG双燃料发动机排放特性和经济性能的影响．研究表明，双燃料加氢后可以缩短滞燃期和燃烧持续期，明显改善柴油／CNG双燃料发动机的THC和CO排放，提高发动机的经济性．     

压缩比、CO2和LPG对二甲醚燃料均质压燃燃烧的影响

在一台2-135柴油机上实现了纯DME的均质压燃(HCCI)燃烧方式.实验结果表明,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,使其接近于零排放.在实验负荷范围内,CO排放随负荷增加而降低;HC的排放随负荷增大而减少.对DME的HCCI燃烧机理进行研究表明,由于纯DME十六烷值高导致的着火比较早(上止点前28°CA左右),使得发动机只能在中低负荷较小范围内运行.为了扩展发动机工况,控制HCCI着火,进一步通过调节实验发动机压缩比,以及在优化的压缩比下,在进气道加入气体CO2或者在DME中加入LPG降低燃料十六烷值的方法来改进和控制HCCI的燃烧.实验表明以上方法可以有效控制HCCI燃烧,拓宽HCCI发动机运转范围.     

甲醇/二甲醚双燃料发动机全负荷范围优化策略的研究

在不同燃烧方式研究的基础上,提出了甲醇/二甲醚(DME)双燃料发动机在全负荷范围内实现高效清洁燃烧的优化策略.即在低负荷工况,采用单一DME加大比例废气再循环(EGR)的HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)燃烧以获得相对高的热效率;在中高负荷工况,采用甲醇/二甲醚双燃料HCCI燃烧方式实现高效低Nox排放的清洁燃烧;在大负荷工况,采用甲醇晚喷实现DME气道喷射与甲醇缸内直喷复合燃烧方式以保证高的功率输出.     

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.     

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.     

DME/LPG燃料比例实时优化的HCCI燃烧控制新方法

根据燃料设计的思想,提出了混合燃料比例实时优化的HCCI燃烧控制新方法。在一台2135柴油机上,通过燃料成分设计（DME／LPG混合燃料）、混合气成分设计（进气添加二氧化碳）、发动机参数调整（改变压缩比）等多种模式对二甲醚HCCI燃烧进行了研究和比较。试验结果表明,在不同工况下实时进行DME／LPG比例优化,通过改变燃料的理化特性和可燃混合气的成分,实现了HCCI着火与燃烧的有效控制,能够显著拓展二甲醚HCCI燃烧的运行负荷范围,并且各个工况下热效率最高、HC和CO排放最低。     

二甲基醚/天然气双燃料均质压燃化学动力学数值模拟

使用零维详细化学反应动力学模型，研究了二甲基醚和天然气双燃料均质压燃燃烧的化学反应动力学过程，缸内压力计算值和实测结果相当一致，计算结果表明，双燃料燃烧过程分为低温反应和高温反应两个阶段，低温反应主要是二甲基醚燃烧氧化，而高温反应主要是天然气的氧化，低温反应二甲基醚生成了大量自由基加速了天然气的燃烧反应．混合气初始温度升高，放热率增大，燃烧持续期缩短；二甲基醚浓度主要影响低温燃烧过程，天然气浓度则主要影响高温燃烧过程；惰性气体(CO2)使燃烧反应推迟，燃烧反应速率降低．通过控制二甲基醚、天然气和惰性气体浓度可以有效控制均质压燃燃烧过程，拓宽运行范围。     

废气再循环与燃料辛烷值对均质压燃发动机性能和排放影响的试验研究

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）发动机性能和排放特性的影响。结果表明，混合气较稀，EGR对指示热效率影响较小，其影响和燃料辛烷值有关；混合气变浓，EGR对指示热效率的影响增大。不同辛烷值燃料最高指示热效率出现在高EGR率、混合气较浓的区域，并且靠近爆震燃烧边界，辛烷值为60的燃料最高指示热效率最高，并且覆盖的工况区域最宽。高EGR率区域，EGR对HC排放的影响十分明显，EGR率升高，HC排放急剧增大，而且随着燃料辛烷值增大，这种趋势越明显；CO排放与缸内燃烧温度有较大的相关性，EGR率升高，CO排放升高。NOx排放出现急剧升高的“拐点”是判断HCCI爆震燃烧的一个重要判据，EGR率增大，“拐点”出现的混合气浓度增大，在正常工作范围内，NOx排放极低，EGR对NOx排放几乎没有影响。     

Active fuel design—A way to manage the right fuel for HCCI engines

Homogenous charge compression ignition (HCCI) engines feature high thermal efficiency and ultralow emissions compared to gasoline engines. However, unlike SI engines, HCCI combustion does not have a direct way to trigger the in-cylinder combustion. Therefore, gasoline HCCI combustion is facing challenges in the control of ignition and, combustion, and operational range extension. In this paper, an active fuel design concept was proposed to explore a potential pathway to optimize the HCCI engine combustion and broaden its operational range. The active fuel design concept was realized by real time control of dual-fuel (gasoline and n-heptane) port injection, with exhaust gas recirculation (EGR) rate and intake temperature adjusted. It was found that the cylinderto- cylinder variation in HCCI combustion could be effectively reduced by the optimization in fuel injection proportion, and that the rapid transition process from SI to HCCI could be realized. The active fuel design technology could significantly increase the adaptability of HCCI combustion to increased EGR rate and reduced intake temperature. Active fuel design was shown to broaden the operational HCCI load to 9.3 bar indicated mean effective pressure (IMEP). HCCI operation was used by up to 70% of the SI mode load while reducing fuel consumption and nitrogen oxides emissions. Therefore, the active fuel design technology could manage the right fuel for clean engine combustion, and provide a potential pathway for engine fuel diversification and future engine concept.     

LP-EGR对增程器GDI汽油机燃烧和排放的影响

为进一步降低燃油消耗率和有害排放,开发增程器专用发动机,在一台缸内直喷(GDI)汽油机上选取增程器的3个运行工况点,开展了当量比燃烧模式下的低压废气再循环(LP-EGR)试验研究.结果表明:随着废气再循环(EGR)率的增加、点火时刻的推迟,缸内压力和放热率峰值降低且推迟,燃烧持续期延长,缸内燃烧由爆震逐渐过渡到失火,NOx排放降低.随着EGR率的增加,HC排放升高,CO和PM排放降低.点火时刻对HC、CO和颗粒物(PM)排放的影响规律随EGR率的变化而不同.引入EGR前、后的颗粒物总数量(PN)浓度值均在较低的数量级(105/cm^3).3个工况点综合优化后的最低有效燃油消耗率为219.1 g/(kW·h),较原机降低了7.75%.