HCCI发动机着火过程控制参数的研究

为了研究HCCI发动机着火控制时刻影响因素,建立了模拟HCCI发动机燃烧的计算模型,以甲烷/丙烷混合物和正庚烷/异辛烷混合物作为燃料,考察了十六烷值、辛烷值、压缩比、燃空当量比、进气温度和压力等因素对HCCI发动机着火时刻的影响.计算结果表明:随着燃料十六烷值的减小或辛烷值的增加,相同条件下燃料的着火延迟期增加;压缩比、燃空当量比和进气温度的变化会引起燃料着火时刻的显著变化;进气压力的变化对燃料着火延迟期的影响较小;气体十六烷值越低,辛烷值越大,着火延迟期受上述参数变化影响越大.研究结果为HCCI发动机的优化设计和燃烧控制提供指导依据.     

DME均质充量压燃着火过程的数值模拟研究

以新型发动机代用燃料二甲醚(DME)为例，采用最新研究的DME化学动力学反应机理(DME氧化机理包括336个基元反应，涉及78种组分)，利用美国SANDIA国家实验室开发的cHEMKIN-Ⅲ软件，进行了DME均质充量压燃着火过程的数值模拟，并从理论上讨论分析了压缩比、进气温度、进气压力、燃空当量比、发动机转速对燃料着火时刻的影响。研究结果表明：DME的HCCI燃烧过程有明显的两阶段，压缩比、进气温度、进气压力、燃空当量比和发动机转速等参数的改变都会导致DME压燃着火过程的显著变化。     

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。     

燃料辛烷值对HCCI燃烧特征和排放特性的影响

将一台4缸高速轻型柴油机中的一缸改装，使其具有独立的进排气系统和燃油供给系统，研究了参比燃料及其混合物在均质压燃过程中的着火时刻、燃烧速率和NOx、UHC、CO排放．考察了正庚烷、异辛烷和各种不同比例的混合物在常温、常压下各种负荷的燃烧特性．研究发现：随燃料辛烷值增加，第一阶段着火时刻推迟，燃烧持续期缩短，第一阶段反应结束时的压力升高量和温度升高量减少；第一阶段的累积放热量取决于燃料中高十六烷值燃料的浓度；第二阶段的着火时刻与第一阶段着火时刻呈线性关系；第二阶段燃烧持续期随当量比的增加而减小，且随辛烷值增加而延长；随燃料十六烷值和当量比增加，CO和UHC排放大幅度改善．     

二甲醚、乙醇和甲烷均质压燃的模拟比较

在相同条件下对二甲醚(methoxymethane,DME)、乙醇和甲烷进行均质压燃(homogeneous charge compression ignition,HCCI)燃烧的模拟,改变压缩始点的缸内温度及压力、压缩比、燃空当量比中的一个以考察其对三种燃料HCCI燃烧过程的影响.随着压缩始点温度和压力、压缩比的提高,三种燃料的着火时刻都提前;提高燃空当量比,DME的着火时刻提前,而甲烷和乙醇则相反;三种燃料低温下的主要脱氢途径都是与OH自由基发生的脱氢反应;三种燃料实现HCCI燃烧的条件不一样,模拟结果给出了大致的趋势.     

燃料着火性对小型柴油机燃烧特性的影响

应用自行开发的柴油机瞬态工况控制系统,研究了燃料着火性对小型柴油机稳态及恒转速增转矩瞬态工况下燃烧特性的影响规律.结果表明,在稳态和恒转速增转矩瞬态工况下,燃料十六烷值对燃烧参数的影响具有类似的规律.随燃料十六烷值的降低,着火始点延迟,滞燃期增加,燃烧速率加快,燃烧持续期减小,但预混燃烧期和预混合燃烧量增加,缸内压力峰值、放热率峰值及压力升高率升高.     

乙醇汽油/空气自着火特性的激波管试验

在雾化激波管中利用反射激波研究了乙醇汽油/空气混合气在高温、低压条件下的自着火特性.测量了混合气在温度为1 100～1 750 K、压力为0.10～0.65 MPa条件下,燃空当量比为0.2～2.5时的着火延迟期、着火壁面压力及OH基自发光强度,分析了当量比、着火温度及压力对混合气自着火特性的影响.结果表明:乙醇汽油/空气混合气的着火延迟期在高温条件下随当量比的增大而延长,不同压力下着火延迟期的对数与着火温度的倒数均呈线性分布,满足Arrhenius关系,并且在低压范围内着火延迟期对压力的依赖性较高;混合气在当量比为1.0、着火温度为1 300～1 430 K时发生剧烈爆燃,此时OH基自发光强瞬间达到峰值后急剧下降,而温度升高后,OH基自发光维持较高强度的时间增长,爆燃压力峰值降低,接近等压燃烧.     

二甲醚均质压缩燃烧的数值模拟研究

采用最新的二甲醚(DME)化学动力学反应机理(DME氧化机理包括399个基元反应,涉及79种组分),利用LawrenceLivermore国家实验室开发的HCT软件,进行DME均质充量压燃着火过程的变参数研究。从理论上分析讨论进气温度、进气压力、燃空当量比、发动机转速对燃烧的影响。研究结果表明:DME的均质充量压燃(HCCI)燃烧过程有明显的两阶段,进气温度、进气压力、燃空当量比和发动机转速等参数的改变都会导致DME均质压缩燃烧过程的变化。     

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。     

高辛烷值燃料HCCI燃烧特性的变参数研究

构建了一种高辛烷值燃料与空气压缩自燃反应机理(89种组分,413个反应)。用在快速压缩机上获得的试验数据对它进行了验证,考察了机理的有效性。然后将其嵌入内燃机模型,在CHEMKIN平台上对这种燃料的HCCI燃烧特性进行了变参数的数值模拟,研究了进气温度、进气压力、空燃比、压缩比、转速和EGR等因素对燃烧特性的影响,同时预测了缸内反应物、生成物、自由基浓度随曲轴转角变化的历程。计算结果对燃用高辛烷值燃料HCCI发动机燃烧过程的优化提供了依据。     

微型内燃机工况下C1–C4烷烃着火延迟数值模拟

燃料着火延迟时间对采用蓄热自着火方式的微型内燃机非常重要。利用Chemkin-Pro软件,分别对甲烷、乙烷、丙烷和正丁烷空气混合气在微型内燃机运行工况下进行着火延迟时间模拟计算,探究初始温度（500 K ~ 1 000 K）、压力（1~ 10atm）和当量比（0.6 ~ 1.2）对着火延迟时间的影响。同时分析了微型内燃机扫气不尽的尾气残留组分（N2、CO2和H2O）对正丁烷着火延迟时间的影响。结果表明：在四种燃料中,正丁烷的低温着火延迟特性最佳,是一种适合于采用蓄热自着火方式的微型内燃机燃料;初始温度、压力的提高和当量比的增大有利于燃料着火延迟时间的缩短;尾气残留使得燃料着火延迟时间变长,着火延迟特性变差,尾气各组分的热效应和基元反应对燃料着火延迟有着不同的影响机制。     

碳氢燃料自燃化学特性的实验研究

本文介绍了标准参考燃料及其混合物化自然化学特性的实验研究结果。     

基于激波管正庚烷点火延时的实验研究

本文采用激波管研究了正庚烷在不同条件下的点火延时特性,首先考察了当量比为0.5,0.7,1.0时正庚烷/合成空气混合气的点火延时特性;其次在当量比不变和变化的条件下,研究了合成空气中CO2的比例以及压力对点火延时的影响.实验结果表明:在温度高于1 200K时,正庚烷点火延时随当量比增加而增大;改变合成空气中O2与CO2的比例时,点火延时随CO2的比例增加而增大;维持当量比不变,当激波管高、低压段初始压力相同时,点火延时随CO2的比例增加而增大;同时还发现当量比对点火延时的影响随着CO2比例的增加而减小.     

灵活缸重整模式下低温重整产物对压燃式发动机燃烧和排放影响的数值模拟研究

采用数值模拟方法研究了第一参比燃料(PRF50)的低温重整过程及其产物对压燃式发动机燃烧和排放特性的影响。研究结果表明,PRF50燃料的低温重整区域随当量比的增加而增大,初始温度和压力的选择范围变化有限,并且PRF50燃料发生低温反应的触发界线开始向较高的初始进气温度方向移动;初始进气温度和当量比对重整过程的影响要大于初始压力的影响;PRF50燃料的低温重整产物均可使PRF50燃料均质充量压燃的燃烧相位提前,且重整产物的加入改善了发动机有害排放中一氧化碳、未燃碳氢和氮氧化物的排放,指示热效率也可提高约3.0%。     

Shock tube studies on ignition delay and combustion characteristics of oxygenated fuels under high temperature

A comparative study on ignition delay time and combustion characteristics of four typical oxygenated fuel/air mixtures of dimethyl ether (DME), diethyl ether (DEE), ethanol and E92 ethanol gasoline was conducted through the chemical shock tube. The fuel/air mixtures were measured under the ignition temperature of 1100 to 1800 K, initial pressure of 0.3 MPa and the equivalence ratios of 0.5, 1.0 and 1.5. The experimental results show that the ignition delay time of these four oxygenated fuels satisfies the Arrhenius relation. The reaction H + O₂ = OH + O has a high sensitivity in four fuel/air mixtures during high-temperature ignition, which makes the ignition delay lengthen with the increase of the equivalence ratios. By comparing the ignition delay of four fuels, ether fuels have excellent ignition performance and ether functional group has better ignition promotion than hydroxyl group. Moreover, the carbon chain length also significantly promotes the ignition. Due to the accumulation of a large number of active intermediates and free radicals during the long ignition delay time before ignition, the four fuels all have intense deflagration and generate the highest combustion peak pressure at the relatively low ignition temperature (1150-1300 K). For DME, DEE and ethanol, due to the high content of oxygen in their molecules, the combustion peak pressure and luminous intensity increased with the equivalence ratio, and the combustion is intense after ignition. E92 ethanol gasoline with low oxygen content has a lower combustion peak pressure and a longer combustion duration than the other three fuels, and its highest combustion peak pressure appears in the stoichiometric ratio. The combustion process of E92 ethanol gasoline is more oxygen-dependent than the other three fuels.     

不同喷油压力对汽油压燃中高负荷性能试验研究

基于一台改装后的压缩比为17的压燃式单缸发动机,展开不同喷油压力对汽油压燃燃烧模式发动机燃烧特性、爆震特性、效率特性和排放特性的研究,结果表明随着喷油压力的增加,缸内混合气形成速度加快,混合气着火时刻提前,燃烧持续期缩短,热效率呈现出先增大后略微降低的趋势。喷油压力的增加使得发动机爆震趋势增强,为降低最大压力升高率和爆震强度,采用推迟喷油策略,但高喷油压力下缸内燃烧对喷油时刻变得敏感,易产生较大的平均指示压力循环波动或爆震,燃烧控制难度增加。对不同喷油压力下爆震循环的缸压信号进行分析得出喷油压力对爆震频率无明显影响。喷油压力升高会使得未燃碳氢和CO排放降低,但同时也会使得NO_x排放增加。     

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.     

二甲醚发动机燃烧特性的试验与数值模拟研究

在一台直喷式压燃发动机上开展了二甲醚燃烧与排放特性的试验与数值模拟研究。测量了二甲醚在高压燃油泵内的泄漏量及其与发动机转速之间的定量关系,并就发动机分别燃用二甲醚和柴油的运转性能进行了对比试验研究,结果表明,发动机燃用二甲醚要比燃用柴油具有更好的性能与排放水平;另从二甲醚低温着火的化学反应机理人手,开展了其自燃着火过程的数值模拟研究,进而建立了计及温度、压力和燃空当量比因素的DME滞燃期数据库;通过将该数据库与发动机循环模拟程序相耦合,对DME发动机的运转性能进行了变参数预测分析,预测结果与试验结果吻合较好。     

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。