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。     

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．     

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。     

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.     

DME燃料HCCI燃烧过程及排放的数值模拟

采用数值方法研究了二甲基醚HCCI模式下的燃烧过程及排放机理．实验在一台被改造的单缸直喷柴油机上进行．计算模型采用耦合了简化化学动力学的三维模型．模拟表明,三维模型在示功图的预测上比零维模型更接近实测值,因为三维模型考虑了流场内温度场和压力场的不均匀性及缸壁、活塞表面的传热．模拟还表明,CO主要出现于气缸壁附近及侧隙,这是由于气缸壁附近温度梯度较大,没有足够的活化自由基将CO氧化为CO2．主要的未燃碳氢为甲醛和二甲基醚,这两种产物主要来源于气缸壁附近和侧隙处,温度较低抑制二甲基醚的加氧反应, 同时不利于活化自由基的出现,导致未燃产物得不到充分氧化．     

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．     

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/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。     

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。     

二甲基醚燃烧过程及其优化的数学模拟（Ⅰ）——燃烧模型

在定容燃烧弹实验和发动机台架实验基础上建立了二甲基醚DME燃烧过程的准维多区的现象学燃烧模型,模型针对DME燃烧过程的特点,建立了新的喷雾混合和着火滞燃期子模型,修正了燃烧放热率子模型,研究了DME燃烧过程中氮氧化物（NOx)生成机理。模型的计算结果和实验结果相当吻合,模型对变工况、变参数有较好的适应能力。NOx生成历程计算分析表明,DME燃烧过程中NOx主要在扩散燃烧阶段生成,燃烧温度低是NOx排放低的主要原因。     

分隔室压燃式天然气发动机燃烧过程模拟

为了研究分隔室压燃式天然气发动机燃烧系统的燃烧机理和缸内气体运动的规律,依据该发动机的工作特点以及天然气燃料本身的特性,开发了一简化的天然气化学动力学模型(其中包含23种组分和74个反应式)。应用相关文献中提供的试验数据,首先对该化学动力学模型的精度进行了验证,然后用所建模型对分隔室压燃式天然气发动机中的燃烧和流动进行了三维模拟计算。模拟计算结果表明,在采取进气预热措施后,天然气在分隔室燃烧室中可以可靠着火,并能迅速燃烧。压缩上止点时在分隔室中存在较强的涡流及副涡流。此外,还对着火时刻及NO排放进行了模拟计算及分析。     

二甲醚发动机湍流燃烧模型的研究

根据二甲醚发动机燃烧过程的特点，提出一种湍流燃烧模型。该模型在传统化学动力学模型的基础上，增加了拟序火焰片湍流燃烧模型以考虑湍流对燃烧的促进作用。数值模拟表明，二甲醚在发动机中油束贯穿度比柴油短；油孔附近的油束上边缘处具有合适的燃料浓度和较高温度，最先发生自燃；在扩散燃烧时燃料与空气混合速度慢，燃烧速度慢，持续时间长。计算结果与试验观察基本相符。     

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。     

A combustion model for IC engine combustion simulations with multi-component fuels

Reduced chemical kinetic mechanisms for the oxidation of representative surrogate components of a typical multi-component automotive fuel have been developed and applied to model internal combustion engines. Starting from an existing reduced mechanism for primary reference fuel (PRF) oxidation, further improvement was made by including additional reactions and by optimizing reaction rate constants of selected reactions. Using a similar approach to that used to develop the reduced PRF mechanism, reduced mechanisms for the oxidation of n-tetradecane, toluene, cyclohexane, dimethyl ether (DME), ethanol, and methyl butanoate (MB) were built and combined with the PRF mechanism to form a multi-surrogate fuel chemistry (MultiChem) mechanism. The final version of the MultiChem mechanism consists of 113 species and 487 reactions. Validation of the present MultiChem mechanism was performed with ignition delay time measurements from shock tube tests and predictions by comprehensive mechanisms available in the literature.A combustion model was developed to simulate engine combustion with multi-component fuels using the present MultiChem mechanism, and the model was applied to simulate HCCI and DI engine combustion. The results show that the present multi-component combustion model gives reliable performance for combustion predictions, as well as computational efficiency improvements through the use of reduced mechanism for multi-dimensional CFD simulations.     

Development of a simplified n-heptane/methane model for high-pressure direct-injection natural gas marine engines

High-pressure direct-injection (HPDI) of natu- ral gas is one of the most promising solutions for future ship engines, in which the combustion process is mainly controlled by the chemical kinetics. However, the employment of detailed chemical models for the multi-dimensional combustion simulation is significantly expensive due to the large scale of the marine engine. In the present paper, a reduced n-heptane/methane model consisting of 35-step reactions was constructed using multiple reduction approaches. Then this model was further reduced to include only 27 reactions by utilizing the HyChem (Hybrid Chemistry) method. An overall good agreement with the experimentally measured ignition delay data of both n-heptane and methane for these two reduced models was achieved and reasonable predictions for the measured laminar flame speeds were obtained for the 35-step model. But the 27-step model cannot predict the laminar flame speed very well. In addition, these two reduced models were both able to reproduce the experimentally measured in-cylinder pressure and heat release rate profiles for a HPDI natural gas marine engine, the highest error of predicted combustion phase being 6.5%. However, the engine-out CO emission was over-predicted and the highest error of predicted NO_x emission was less than 12.9%. The predicted distributions of temperature and equivalence ratio by the 35-step and 27-step models are similar to those of the 334-step model. However, the predicted distributions of OH and CH₂O are significantly different from those of the 334-step model. In short, the reduced chemical kinetic models developed provide a high-efficient and dependable method to simulate the characteristics of combustion and emissions in HPDI natural gas marine engines.     

Application of micro-genetic algorithm for calibration of kinetic parameters in HCCI engine combustion model

The micro-genetic algorithm (?GA) as a highly effective optimization method, is applied to calibrate to a newly developed reduced chemical kinetic model (40 species and 62 reactions) for the homogeneous charge compression ignition (HCCI) combustion of n-heptane to improve its autoignition predictions for different engine operating conditions. The seven kinetic parameters of the calibrated model are determined using a combination of the Micro-Genetic Algorithm and the SENKIN program of CHEMKIN chemical kinetics software package. Simulation results show that the autoignition predictions of the calibrated model agree better with those of the detailed chemical kinetic model (544 species and 2 446 reactions) than the original model over the range of equivalence ratios from 0.1–1.3 and temperature from 300–3 000 K. The results of this study have demonstrated that the mGA is an effective tool to facilitate the calibration of a large number of kinetic parameters in a reduced kinetic model.