正庚烷部分预混燃烧下多环芳烃生成的简化机理

采用反应流与敏感性分析方法对小分子烃类燃料预混燃烧下多环芳烃生成的详细机理(101种组分,544个基元反应)进行了简化,得到了包括52种组分,83个基元反应的简化机理.采用该简化机理对乙烷预混燃烧下多环芳烃的生成规律进行了数值计算.结果表明,采用该简化机理计算得到的反应物与部分生成物摩尔分数的变化趋势与实验值基本吻合;在该简化机理上加入正庚烷分解和氧化的主要反应(27种组分,36个基元反应),构成了庚烷火焰中多环芳烃生成的简化机理(62种组分,1 19个基元反应);同时对该简化机理在正庚烷部分预混燃烧下多环芳烃的生成规律进行了数值计算,结果表明,采用该简化机理进行计算时所得到的温度分布、主要反应物与部分生成物的摩尔分数的变化趋势与实验值基本吻合.     

一个新的用于HCCI发动机燃烧研究的正庚烷化学反应动力学简化模型

提出了一个新的适用于HCCI发动机燃烧研究的正庚烷化学反应动力学简化模型，包含44种组分和72个反应。由四个子模型组成：低温反应子模型是在Li等人模型的基础上，定义具体的醛类(RcH0)产物和小分子碳氢产物(Rs)而构建；增加了用于链接低温反应向高温反应过渡的大分子直接裂解成小分子反应子模型；高温反应子模型是在Griffiths等人模型的基础上，去除了无关的基元反应，增加两个关于CO和CH3O的氧化反应而构建；此外，还采用了Golovitchev简化模型中NOx生成子模型。新模型能够模拟正庚烷HCCI燃烧的冷焰和热焰反应以及NOx生成的整个过程，与详细模型计算结果吻合较好。CPU计算时间是详细模型的1／1000，为CFD多维模型与化学反应动力学模型相耦合的燃烧计算提供了可行的途径。     

正庚烷均质压燃燃烧简化动力学模型

在详细化学反应动力学研究的基础上,通过对正庚烷均质压燃燃烧各阶段反应途径分析和敏感性分析,构建了一个新的包括35种物质和41个基元反应的正庚烷均质压燃简化动力学模型．在发动机模拟方面,对此模型进行有效性分析,结果表明,在一定的边界条件范围内,简化动力学模型在着火时刻、缸内温度和压力方面都与详细动力学模型吻合较好,简化动力学模型适用于模拟HCCI部分燃烧边界条件．     

正庚烷对冲扩散火焰中多环芳烃形成机理的简化

使用敏感性分析对正庚烷对冲扩散燃烧火焰中多环芳烃生成的详细反应机理(包括108种组分、572个基元反应)进行简化,得到了可与CFD多维模型耦合计算的简化机理,该机理包括56种组分、83个基元反应.简化机理和详细机理的计算结果非常吻合,表明得到的简化机理能够精确地描述正庚烷对冲扩散火焰的燃烧特性,并且能够定量预测多环芳烃(例如苯、萘、菲、芘等)的生成.     

正庚烷预混火焰中PAHs的生成机理

应用CHEMKIN软件对正庚烷预混火焰中碳黑的先驱物PAHs的生成机理进行研究,得到了包含49种组分、94个基元反应的简化模型.该饥理包含正庚烷的燃烧和PAHs的生成两部分,正庚烷的燃烧模型构建在Patel等人模型的基础上,增加了3个低温区关键反应;PAHs生成机理主要根据脱氢加乙炔(HACA)反应机理添加.新模型能够模拟正庚烷预混燃烧的冷焰和热焰反应以及预测PAHs的生成过程,与详细模型计算结果吻合较好.为CFD多维模型与化学反应动力学模型相耦合的燃烧计算提供了可行的途径.     

分层充量压燃简化动力学模型及燃烧机理

在前期工作的基础上,加入了与浓混合气相关的反应,构建了适合分层压燃的简化动力学模型,包括39种物质和49个基元反应.新构建的分层压燃简化动力学模型,零维模拟的结果与详细机理吻合很好;与三维CFD耦合模拟的结果与预混/直喷条件下的实验结果吻合也很好.对于预混/直喷分层燃烧来说,低温反应最先发生在压缩余隙和凹坑内活塞表面附近的燃料均质分布的区域,而高温反应最先发生在喷雾导致的浓混合气区域.到低温反应结束为止,缸内生成的H2O2和CH2O浓度分布不均匀,混合气较浓的区域生成的H2O2和CH2O浓度较大.高温反应开始后,浓混合气区域温度比燃料均质分布的区域高,因此在较浓的混合气区域,H2O2、CH2O、HCO和CO等重要中间产物消耗的速度都比燃料均质分布的区域快.     

预混合比例实时优化控制正庚烷复合HCCI燃烧

在一台单缸柴油机上试验研究了预混合比例对正庚烷复合HCCI燃烧的影响,并在各个负荷下实现预混合比例的优化控制.结果表明:复合HCCI燃烧呈现三阶段放热模式,并且随着预混合比例的增大,复合HCCI燃烧第2阶段高温反应着火提前,燃烧持续期缩短,第3阶段扩散燃烧滞燃期缩短,同时缸内最高压力和最大压力升高率均升高.复合HCCI的NOx排放与直喷相比显著降低,且随预混合比例的增大先降低后升高.同时,复合HCCI的CO排放随预混合比例增大先增大后减小,而HC则随预混合比例增大而增大.通过预混合比例优化控制,复合HC-CI燃烧能够显著拓展负荷范围,并且保持较高的热效率.     

进气温度对正庚烷HCCI燃烧特性影响研究

在一台燃烧边界条件可控的快速压缩机上对均质压燃燃烧方式(HCCI)下进气温度对燃烧特性的影响进行了研究.以正庚烷燃料为研究对象,在不同的进气温度条件下,通过对燃烧始点、燃烧持续期、燃烧放热率等参数的分析,得出了进气温度对HCCI燃烧特性的影响规律.试验结果表明:随着进气温度的升高,燃烧始点提前,燃烧持续期缩短,最高燃烧温度升高,放热率最大值增加.     

预混合率对正庚烷/柴油双燃料复合 HCCI燃烧的影响

在一台单缸柴油机上试验研究了预混合率对正庚烷/柴油复合HCCI(Homogeneous Charge CompressionIgnition)燃烧的影响.结果表明:复合HCCI燃烧呈现三阶段放热模式,并且随着预混合率的增大,复合HCCI燃烧第二阶段高温反应着火提前,燃烧持续期缩短,第三阶段扩散燃烧滞燃期缩短,同时缸内最高压力和温度均升高.复合HCCI的Nox排放与纯柴油直喷相比有显著降低,且随预混合率的增大先降低后升高;碳烟排放在预混合率较小时与原机基本持平.同时复合HCCI的CO排放随预混合率增大先增后减,而HC则与预混合率成一定的正比关系.此外,复合HCCI燃烧能够明显改善原机中低负荷下的热效率.     

正庚烷/生物柴油双燃料的部分均质压燃燃烧

研究了气口喷射正庚烷、缸内直喷生物柴油的部分均质充量压缩着火(HCCI)燃烧的燃烧特性和排放特性.研究表明,整个燃烧过程旱现三阶段放热模式.随着正庚烷预混合比例的增加,第一阶段和第二阶段最大放热率呈线性增加,从而导致生物柴油着火时的温度和压力明显上升.预混合正庚烷的引入使得放热中心时刻和放热结束时刻明显提前,燃烧持续时间缩短.至于排放方面,预混合比例的增加会引起CO和HC排放的增加,并且增加幅度逐渐减小;在中小当量比下,预混合比例增加会使得NOx排放线性降低,但是对碳烟排放却几乎没有影响;在较大当量比下,预混合比例增加可以使得NOx和碳烟排放同时大幅度下降,并且在20%～25%之间可以得到最佳的NOx和碳烟降低效果.     

正庚烷均质压燃过程的燃烧稳定性和循环变动的研究

对正庚烷HCCI燃烧典型工况下的燃烧稳定性和循环变动进行了研究。在单缸HCCI发动机上,通过气口喷射正庚烷,记录了部分燃烧、正常燃烧、爆震燃烧下100个循环的示功图,据此对各个燃烧参数和性能参数的循环变动进行了分析。研究表明：低温阶段的冷焰反应时刻、起始反应温度和低温放热峰值时刻的循环变动系数小于3%,且受混合气浓度的影响不明显;高温阶段燃烧参数循环变动较大,但是着火时刻和峰值放热时刻随混合气浓度的增加显著减小;低温和高温峰值放热率循环变动系数较高。在性能参数方面：不发生爆震燃烧时,最高压力、压力升高率的变动较小;发生爆震燃烧时,循环变动系数迅速增加;不发生失火或者部分燃烧时,平均指示压力和指示热效率的变动较小,且随混合气浓度增加而减小。     

甲基、甲烷、甲醇在正庚烷压燃内燃机中的演变历程

261种组分和1 321个基元反应构成了正庚烷燃烧化学反应集,考虑进气偏心矩流场、燃烧室结构形状以及喷油油束等综合因素,计算了二次喷射燃烧方式和空间雾化燃烧方式压燃式内燃机的工作过程,着重分析了甲烷、甲基和甲醇3种组分的演变历程.结果表明,在任何时刻,缸内的甲烷质量最多,甲醇质量其次,甲基质量最小,比甲烷小一个数量级;对于不同的燃烧方式,组分在缸内的空间分布位置是不同的,这将导致换气行程中组分排出气缸的难易程度不同;但是,无论哪种燃烧方式,甲烷的分布总是呈实心体,甲基的分布呈空心体,甲醇的分布空间比较大,基本上覆盖了甲烷与甲基的空间分布.     

含异丙醇添加剂的HCCI燃烧特性及其排放影响因素

研究了异丙醇作为添加剂对正庚烷HCCI燃烧的抑制效果,分析了影响HC和CO排放的燃烧参数,考察了EGR对含异丙醇添加剂的HCCI燃烧和排放的影响.在单缸HCCI发动机上,开展了正庚烷、10%~60%异丙醇/正庚烷燃料(体积比)在1 800 r/min下不同负荷时的试验研究.研究表明,在正庚烷中加入异丙醇后,低温反应时刻明显推迟,低温峰值放热率降低,引起高温反应时间的推迟,从而使得最大平均指示压力增加,但是最小稳定运行平均指示压力也增加,燃烧效率相对降低.对影响HC和CO排放的参数分析发现,影响HC排放的主要因素是混合燃料中高十六烷值燃料的比例,而影响CO的参数主要有最高燃烧温度,其他参数如最大压力升高率、平均指示压力、着火时刻也产生一些间接影响.对具有相同循环能量的各种燃料燃烧稳定性的研究表明,10%和20%混合燃料燃烧开始出现一定波动,30%和40%混合燃料循环波动明显,而50%混合燃料就相当恶化了.EGR对含较少异丙醇的混合燃料影响不大,但对40%异丙醇/正庚烷混合燃料的燃烧与排放影响相当显著.     

正庚烷HCCI燃烧过程的数值模拟及试验研究

结合详细化学动力学机理,运用最新的CHEMKIN—Ⅳ化学动力学软件包中的IC enginc模块模拟了正庚烷的HCCI燃烧过程。并在一台高速四缸柴油机上进行了单缸正庚烷HCCI燃烧试验。分别从理论和试验上研究了正庚烷的HCCI燃烧过程以及各种参数变化对燃烧过程的影响,研究表明：正庚炕燃烧过程由低温反应和高温反应两阶段组成,NC7KET裂解生成OH是低温阶段最重要的反应,高温阶段着火是由H2O2裂解所触发的,低温阶段着火对高温阶段着火起着关键作用;各种参数的变化会导致燃烧过程的显著变化。