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。     

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。     

二甲醚发动机性能试验研究

对柴油机燃用二甲醚(DME)，在各种技术条件下的发动机排放性能、动力性和经济性进行了试验研究．结果表明，燃用二甲醚时，发动机碳烟排放很低，但在大负荷工况下，由于燃烧不好，CO和HC的排放较高．采用进气增压技术，有利于改善燃烧，降低排放和能量消耗率．采用废气再循环(EGR)技术可以有效地降低NO，排放，但在大负荷和过高的废气再循环率情况下，会使燃烧恶化．进气增压和适度的废气再循环率相结合，可以同时降低排放和改善能量消耗率，有利于达到超低排放的要求。     

二甲醚在发动机气缸内喷雾燃烧过程的实验研究

在可视化光学发动机上进行了二甲醚(DME)喷雾燃烧过程的试验，应用高速数字摄像机拍摄了柴油和二甲醚缸内喷雾燃烧过程，并应用计算机高速采集系统同步测量了缸内压力．高速摄影照片表明，二甲醚一离开喷嘴就迅速蒸发，可以明显看到缸内气流运动对油速“核心”的吹散作用，并造成二甲醚的碰壁油量较柴油的少．和柴油相比，二甲醚着火滞燃期短，着火位置更靠近燃烧室壁面，着火面大，燃烧初期火焰发展迅速．二甲醚压升滞燃期比发火滞燃期明显减小，而柴油两者几乎相等．在相同热值燃料条件下，发动机燃用柴油和二甲醚时，缸内最大爆发压力、燃烧放热率和平均指示压力几乎一样．高速摄影很难拍摄到二甲醚燃烧初期和后期的火焰照片．研究结果还表明，较小的涡流比有利于提高二甲醚发动机的性能。     

喷射参数对二甲醚PPCCI发动机燃烧与排放特性的影响

在一台6缸增压电控共轨二甲醚发动机上进行试验,研究了预喷时刻、预喷燃料量、喷射压力、主喷时刻等喷射参数对二甲醚部分预混合充量压缩燃烧(PPCCI)发动机燃烧与排放特性的影响。试验结果表明:随预喷时刻提前,缸内压力峰值降低,二甲醚发动机缸内燃烧由两阶段放热转变为PPCCI三阶段放热,氮氧化物(NOx)排放显著降低,HC和CO排放升高;随预喷射燃料量增加,缸内压力峰值及预混合燃烧的冷焰反应和热焰反应速率明显增大,NOx排放逐渐降低,HC和CO排放显著升高;随喷射压力降低,预混合燃烧热焰反应速率增加,主喷扩散燃烧始点推迟,扩散燃烧放热率峰值和NOx排放明显降低,HC和CO排放升高;随主喷时刻推迟,预喷预混合燃烧几乎没有变化,主喷扩散燃烧延后,缸内压力峰值和放热率峰值降低,NOx排放显著降低,HC和CO排放升高。     

内外部EGR控制二甲醚发动机的燃烧与排放

在一台改造过的2-135柴油机上通过气道引入二甲醚和CO2,模拟实现了内外部EGR控制二甲醚发动机燃烧与排放的试验研究.结果表明,燃烧过程包括二甲醚HCCI燃烧和缸内喷雾的预混及扩散燃烧;燃烧方式主要受内外部EGR率的影响而呈现不同的放热特征.缸内直喷燃烧采用较大供油提前角时,在较小内外部EGR率下可使NOx排放控制在50 x 10-6以下;在较小供油提前角和微量内外部EGR率下可实现二甲醚发动机两级预混合低温燃烧模式,NOx排放接近于零.采用适当的内外部EGR率,二甲醚发动机经济性与NOx排放可获得较好的折中.     

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.     

活性添加剂对高辛烷值燃料HCCI着火时刻与燃烧速率的影响

为研讨活性添加剂过氧化二叔丁基(DTBP)对高辛烷值燃料以HCCI燃烧模式运行时的放热率特征、着火时刻、燃烧持续期和排放特性的影响,在一台单缸发动机上,在辛烷值为90(RON90)(90％的异辛烷和10％的正庚烷)的混合燃料中加入不同比例(0～4％)的DTBP,考察5种燃料在1800r／min下不同负荷时的燃烧特性和排放特性．实验结果表明：RON90中没有添加剂时,只能在高温、高负荷下才能以HCCI燃烧模式运行;在其中加入少量的DTBP后,RON90实现HCCI燃烧的工况范围向低温低负荷下大幅度拓展．各种燃料的HCCI燃烧冷焰反应发生在850K左右,到950K结束,进入负温度系数区(NTC),在1125K左右突破NTC区而发生热着火．随DTBP含量增加,系统温度达到冷焰反应和热焰反应的化学时间尺度缩短,因此着火时刻提前,燃烧持续期缩短,特别是提高了低负荷下的燃烧速率．添加剂使各种当量比下未燃碳氢(UHC)和一氧化碳(CO)排放显著改善,NOx排放也保持在很低的水平．     

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。     

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。     

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．     

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。     

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.     

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。     

Numerical study of effects of reformed exhaust gas recirculation (REGR) on dimethyl ether HCCI combustion

The effects of reformed exhaust gas recirculation (REGR) on combustion and emissions of dimethyl ether (DME) homogeneous charge compression ignition (HCCI) engines are studied by multi-dimensional CFD coupled with chemical kinetic model. The results show that REGR combing EGR and DME reformed gases (DRG) improves combustion and emissions. REGR can delay ignition time by both EGR and DRG, and makes main combustion closer to top dead center (TDC), which is beneficial to reducing compression negative work and broadening load range of HCCI engines. The interaction of DRG and EGR helps avoid too high pressure rise rate or low power performance when being applied independent of each other. HC, CO and NO_x emissions can be controlled simultaneously by REGR. Both advantages of DRG and EGR are used to decrease the emissions of HCCI engines by REGR, while the disadvantages of high emissions are alleviated when one of them is applied.     

催化燃烧对均质压燃发动机燃烧特性影响的数值模拟

通过运用DETCHEM软件包,对甲烷在催化剂Rh表面的详细反应机理进行了分析,结果表明数值模拟结果与实验数据相当吻合;通过耦合DETCHEM软件包及CHEMKIN软件包中的SENKIN模块,对活塞顶涂有催化剂铑的均质压燃(HCCI)发动机的燃烧过程进行了数值计算,建立了单区和多区模型．利用单区模型分析了催化燃烧对HCCI发动机着火时刻的影响,同时讨论了催化燃烧对燃烧过程中主要化学组分浓度变化的影响,结果表明催化燃烧会使HCCI发动机着火时刻提前;利用多区模型分析了催化燃烧对HCCI发动机的未燃碳氢化合物(UHC)、氮氧化合物(NOx)排放的影响,结果表明催化燃烧能降低UHC的排放,但会提高NOx的排放．     

催化燃烧对HCCI发动机着火点、燃烧性能及排放的影响

对甲烷在催化剂铑(Rh)表面的反应机理进行了分析。通过修改CHEMKIN软件包中的SENKIN模块,对活塞顶涂有催化剂的HCCI发动机的燃烧过程进行了数值计算,建立了单区、多区模型。利用单区模型分析了催化燃烧对HCCI发动机着火时刻的影响,结果表明在控制HCCI发动机着火时刻方面催化燃烧有其他方式所没有的优势;利用多区模型分析了催化燃烧对HCCI发动机的燃烧性能及HC、CO、NOx排放的影响,结果表明催化燃烧对燃烧效率、着火持续期有较大的影响,同时能降低HC、CO的排放,但会提高NOx的排放。     

用汽油和甲醇燃油分层拓展HCCI燃烧高负荷的试验研究

在一台单缸HCCI发动机上研究了进气道喷射汽油缸内喷射甲醇形成汽油甲醇燃油分层的HCCI燃烧排放特性,探索了其拓展HCCI燃烧高负荷的潜力。试验结果表明:在汽油HCCI燃烧中喷射甲醇能够有效降低缸内混合气的温度,推迟着火时刻,延长燃烧持续期,从而降低压力升高率和缸内最高燃烧压力,有利于拓展HCCI燃烧高负荷。一定的HCCI负荷工况存在最佳的汽油甲醇比例,且汽油甲醇最佳比例随着负荷的增加不断减小。在最大压力升高率0.5MPa/°CA和较高的指示效率的限制下,自然吸气条件下采用汽油和甲醇燃油分层的HCCI燃烧最高负荷比汽油HCCI燃烧提高了近50%,达到0.62MPa。