柴油机燃用二甲醚复合燃烧优化控制试验研究

结合柴油机燃用二甲醚HCCI燃烧与缸内直喷燃烧各自的优点,提出了柴油机燃用二甲醚气道-气缸喷射复合燃烧方式.在一台改造过的2135柴油机上,通过调整预混合率和直喷供油提前角以及进气燃料设计对复合燃烧进行了研究.结果表明,燃烧过程包括HCCI燃烧和缸内喷雾的预混及扩散燃烧,燃烧方式主要受预混合率的影响而呈现不同的放热特征.采用适当的预混合率和直喷供油提前角,与HCCI燃烧比,复合燃烧在保持NOx基本不变的条件下有效地拓宽了发动机工况范围,同时降低了HC和CO排放.通过在DME中添加LPG降低燃料十六烷值来控制HCCI的燃烧,可降低NOx排放,在大预混合率下,发动机经济性得到改善.     

DME/柴油混合燃料HCCI燃烧与排放特性的试验研究

在单缸柴油机上采用轴针式喷嘴进气道燃油喷射方式,开展了二甲醚(DME)/柴油混合燃料预混均质压燃(HCCI)燃烧及其排放特性的试验研究,探讨了喷油嘴启喷压力、进气温度以及进气掺混不同比例CO2对混合气制备率和发动机性能的影响.结果表明:低沸点液相DME在进气道喷射过程中所具有的闪急沸腾效应,可有效强化柴油/DME混合燃料的雾化与蒸发,减少燃油撞击壁面而出现的进气歧管壁湿现象,从而改善柴油HCCI发动机均质混合气的形成与燃烧,拓宽发动机的运行工况范围.进气掺混0~30%的CO2能使HCCI发动机的正常工作范围从0.32MPa提高到0.5MPa,实现高负荷工况下同时降低NOx和碳烟的排放,但CO和未燃HC排放有所增加.     

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。     

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.     

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。     

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。     

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.     

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。     

DME与LPG预混平面火焰的甲醛及NO_x排放特性

对二甲醚与液化石油气预混平面火焰中不同掺混比例下的甲醛生成、NOx的排放特性进行了实验研究.实验结果表明,固定燃料质量流量和当量比条件下,火焰中甲醛质量浓度随着二甲醚掺混比例的增加而增加,其峰值质量浓度为相同工况纯LPG燃烧时的2～5倍,表明混合燃料中的二甲醚仍然是甲醛产生的主要来源;尾气中的NOx质量浓度随二甲醚比例的增加而降低,但均不高于16.08,mg/m3.控制二甲醚的完全氧化是二甲醚与液化石油气掺混燃烧中减少甲醛排放的关键途径.     

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．     

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.     

Advanced combustion operation in a single-cylinder engine

In this paper advanced combustion concepts such as HCCI and PCCI were studied in a single-cylinder engine. PCCI was achieved by the combination of part aspiration and part direct injection of DME in the experiments, which was a compromise to obtain HCCI in that only a portion of the fuel was premixed and the portion of combustion was still controlled by the injection timing. Basic investigations toward the PCCI and HCCI combustion in a DME engine were carried out. DICI operation was also conducted to make a comparison. Results showed that as for the PCCI combustion operation, p_max, (dp/dθ)_max and heat release rate were between the values of HCCI and DICI operation and they increased with a rise of premixed ratio. The combustion duration for the PCCI combustion was longer than those of HCCI combustion, but was shorter than that of DICI combustion. Furthermore, the combustion duration decreased and the brake thermal efficiency increased with an increase in premixed ratio. CO and HC emissions for the PCCI combustion operation were lower than those of the HCCI engine. In comparison to conventional DICI operation, NO_x emissions for the PCCI combustion operation decreased significantly. Experiments also indicated that the fuel injection timing had a great influence on the performance and emissions of a DME engine at a PCCI combustion mode.     

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.     

发动机均质压缩燃烧单区模拟模型及其应用

介绍一种基于燃料氧化反应动力学计算的单区模型,该模型由一维空间的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和气体状态方程等气相化学反应动力学控制方程所组成。采用该模型并利用二甲醚氧化的详细化学反应动力学机理,对二甲醚燃料在柴油机上的均质压缩燃烧HCCI进行了模拟计算和试验研究。计算结果与试验结果比较表明,该模型对HCCI燃烧的着火始点预测很好。     

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．     

二甲醚均质充量压燃发动机排放特性的试验研究

试验研究了压缩比为10．7的二甲醚均质充量压缩点燃燃烧发动机的排放特性。试验结果表明，采用DME HCCI燃烧方式可以有效控制发动机的氮氧化合物排放，使其接近于零，实现无烟燃烧。在一定的负荷范围内，发动机的碳氢和一氧化碳排放与柴油机相当；低负荷时混合气过稀，则碳氢和一氧化碳排放偏高，而高负荷混合气过浓时，又有可能导致敲缸。发动机稳定运转的条件是一定的空燃比必须对应一定的发动机转速和负荷。     

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.     

内燃机代用燃料(三)

较为详细地介绍了内燃机代用燃料－－天然气和液化石油气、氢气、醇类燃料、生物类燃料、二甲醚（DME）和碳酸二甲酯（DMC）的物理特性、排放特点、优缺点及使用时应解决的问题。