二甲醚发动机非常规污染物排放特性研究

用气相色谱法和傅里叶变换红外光谱法测量了燃用二甲醚(DME)的ZS195柴油机排气中的非常规污染物甲醛和甲酸甲酯的排放量,探讨了发动机结构与运转参数对非常规污染物排放的影响.测试结果表明,在非常规排放物中,甲醛是其中的主要成分,在较高转速和负荷工况,甲醛排放量随转速和负荷的变化趋势与未燃HC基本相同.在转速一定的条件下,甲醛和甲酸甲酯排放量均随喷油压力升高而减少;甲醛排放量随喷油提前角和喷孔直径的增大而下降,而甲酸甲酯排放量则随喷油提前角和喷孔直径的增大而上升.     

世界二甲醚应用开发现状

二甲醚因其对人体无毒、使用安全,对环境友好,并具有良好的燃料性能,可部分替代液化气民用燃料以及替代柴油作为清洁的汽车燃料,加之其原料来源丰富,生产成本低,因此其生产与应用技术的研发受到世界各国的关注。综述了当前世界及中国二甲醚应用技术的进展情况,对我国二甲醚应用技术的研发提出建议。     

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.     

BQ型柱塞油泵内二甲醚柴油混合燃料的气阻仿真

为研究二甲醚/柴油混合燃料在燃料供给系统内气阻的产生机理和影响因素,依据BQ型柱塞油泵建模,运用Fluent软件分析油泵凸轮不同转速下,以及进油阶段不同泵内初始压力和不同进油压力条件下油泵内的流体分布情况。分析表明:混合燃料中DME含量越高,气阻现象越明显;改变凸轮型线,增加柱塞在密闭泵腔阶段下行的速度,有利于减少泵内液态DME的气化,降低进油开始时泵内的初始压力,进油时泵内初始压力越低,进油压力越高,越有利于泵内气态DME的重新液化,避免进油受阻现象的发生。     

某艇用柴油机改二甲醚发动机性能与排放特性分析

以一台4缸艇用增压柴油机为研究对象,基于STAR-CD软件,计算了该柴油机燃用二甲醚(DME)时的缸内压力、温度与NOX排放的变化情况,并与其燃用柴油时情况进行了对比。分析了在不同负荷与不同喷孔直径下燃用DME时的NOX排放特性。结果表明,该柴油机燃用DME后,动力性能降低幅度甚微,基本在2%以内,其NOX的排放比燃用柴油要低15%左右,为艇用DME发动机的开发提供了依据。     

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。     

NH3/DME混合物着火特性试验与数值模拟研究

为了探究NH₃/DME混合物的着火特性,利用激波管测量了初始温度T=1 250～1 800 K、当量比Φ=0.5～2.0、DME掺混比X_DME=0～1.0、压力p=1 MPa条件下NH₃/DME混合物的着火延迟时间。基于测量的试验数据,更新了Issayev等人构建的NH₃/DME燃烧反应动力学模型的部分基元反应,更新后的模型表现出对NH₃/DME着火延迟时间的良好预测。在此基础上,进一步开展了NH₃/DME着火特性值模拟研究。结果表明：NH₃/DME高温着火延迟时间随二甲醚(DME)掺混比的增加呈指数降低;NH₃/DME的着火延迟时间随当量比的增加先降低后升高,且不同温度下达到最低着火延迟时间的当量比不同;中低温下NH₃/DME的着火延迟时间随初始温度的变化规律与高温下不同,呈现出明显的负温度系数(NTC)现象。     

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.     

二甲醚／空气预混合气燃烧特性

利用定容燃烧弹研究了不同当量比和初始压力下的二甲醚/空气预混合气的燃烧特性,并基于准维双区模型计算了二甲醚/空气预混合气燃烧特征参数.研究结果表明:在各初始压力条件下,化学计量比附近的混合气压力升高率和混合气质量燃烧速率最大.对于稀混合气和当量比混合气,火焰传播速率随初始压力的降低而增加;而对于浓混合气,火焰传播速率随初始压力的降低而降低.最高燃烧压力出现在化学计量比附近而与初始压力无关.对于给定的当量比,最高燃烧压力随初始压力的增加而明显增加.在化学计量比附近,燃烧持续期和火焰发展期最短且基本上不随初始压力变化.     

含氧清洁燃料二甲醚燃烧特性的数学模拟

以含氧清洁燃料DME燃烧的化学反应机理为基础,建立了DME着火过程的数学模型,并且利用CHEMKIN计算程序软件包对其进行了自燃着火过程的模拟计算,预测结果与实验结果吻合较好,然后与以零维燃烧模型为基础的工作过程模拟相耦合,分析在柴油机上燃用DME的燃烧过程的特点。     

直喷二甲醚对稀汽油混合气燃烧过程影响的研究

在一台四冲程单缸汽油机上,通过缸内直喷二甲醚(DME)实现了空气稀释汽油混合气的稳定燃烧。研究结果表明:在1 500r/min下,固定循环燃油热值时,直喷DME可以降低汽油机稀燃下的循环变动,加速初期火焰发展速度,缩短燃烧持续期,提高汽油稀燃稳定燃烧的过量空气系数上限。稀燃和直喷DME相结合可以改善发动机在稀燃下的燃油经济性。与理论空燃比混合气相比,稀燃能使指示燃油消耗率最多降低11.7%。改变点火时刻和直喷DME比例能实现不同过量空气系数下的最佳燃烧相位。随着过量空气系数的增加,最佳放热中心相位提前。     

二甲醚-空气-N2/CO2混合气燃烧特性研究

在定容燃烧弹中系统地研究了常温常压下,不同稀释气、不同稀释系数、不同燃空当量比时二甲醚-0空气-稀释气混合气的燃烧特性.基于容弹计算的准维双区模型和实测的燃烧压力数据,计算了燃烧温度及规范化质量燃烧速率.研究结果表明:随着稀释系数的增加,最大燃烧压力值、最高燃烧温度值以及规范化质量燃烧速率均降低,而火焰发展期和快速燃烧期随稀释系数的增加而增加.研究发现,CO2作为稀释气体时对燃烧温度降低的效果较N2作为稀释气体时更加明显.     

零维模型在二甲醚发动机工作过程中的应用研究

利用韦伯(WIEBE)模型、WASTON模型、Whitehouse-Way模型模拟计算二甲醚(DME)发动机的工作过程,将模拟计算示功图与试验结果对比,检验上述模型在预测二甲醚发动机燃烧规律方面的准确性。对比结果表明,在适当调整喷油正时、燃烧始角、循环供油量、循环初始压力和初始温度以及燃料热值等初始参数的基础上,上述模型的模拟计算结果与二甲醚发动机试验测定数据基本相近。说明上述各模型不仅适用于理想状态下的柴油发动机运行参数预测,亦适用于二甲醚发动机运行参数的预测。     

二甲醚对甲烷稀混合气燃烧过程影响的可视化研究

在一台安装有进气道喷射甲烷和缸内直喷二甲醚(DME)的单缸光学发动机上,研究了DME喷射时刻对甲烷空气稀混合气压缩着火燃烧过程和火焰发展过程的影响。结果表明:在直喷DME下,气缸内的燃烧放热过程主要受到DME直喷时刻的控制。在-60°～-40°喷射DME时,放热率曲线呈单峰,在-30°～-15°喷射DME时,放热率曲线呈两阶段放热特征。气缸内的燃烧呈现自燃+火焰传播的特征。此外,DME喷射时刻还影响着火点的位置。随着DME喷射时刻的推迟,着火区域分布更加集中。与火花点燃甲烷燃烧相比,在压缩着火方式下,直喷DME能大幅提高甲烷/空气混合气燃烧初期的火焰传播速度,使燃烧放热过程加快。     

正戊醇/正十二烷二元燃料着火及燃烧特性

为了探究正戊醇/正十二烷二元燃料着火及燃烧特性,在高温高压定容燃烧弹中采用自发火焰发光法、纹影法、甲醛平面激光诱导荧光法以及OH*化学发光法研究了正戊醇/正十二烷二元燃料P20D80的着火延迟期、火焰发展、燃烧中间组分以及火焰浮起长度．结果表明：在相同工况下,与正十二烷(D100)相比,P20D80的总着火延迟期和火焰浮起长度更长,且两者的甲醛信号都在火焰浮起处的下游位置被逐渐消耗;P20D80的甲醛初生时刻延迟了100μs左右,可很好降低碳烟生成;与D100相比,在不同的环境温度工况下,P20D80的化学着火延迟期更长,但随着喷射压力的增加,P20D80的化学着火延迟期先大后小;此外,在相同工况下,P20D80物理着火延迟期与正十二烷物理着火延迟期的差值随着环境温度升高而略微升高,但随着喷射压力的增加而降低．     

液滴蒸发一维数学模型及其在二甲醚喷雾中的应用

描述了液滴蒸发的一维数学模型及其数值求解方法,并且利用该模型首先对单液滴的蒸发过程和定容燃烧室内二甲醚(DME)的喷雾过程分别进行了模拟计算和分析,然后对二甲醚发动机的喷雾燃烧过程进行了数值模拟,并将模拟结果与KIVA程序中原有的Spalding蒸发模型及实验数据进行了对比.结果表明,一维蒸发模型对蒸发过程的描述较Spalding的零维蒸发模型更为真实.     

二甲醚/甲醇均质压燃性能和排放特性的试验研究

在单缸发动机上进行了二甲醚/甲醇均质压燃(HCCI)的试验研究。结果表明,采用二甲醚/甲醇双燃料方式,HCCI的工况范围大幅拓宽,低转速平均指示压力接近0.8MPa。低负荷工况指示热效率随甲醇浓度的降低而升高;对于较高负荷,存在一个指示热效率较高的甲醇浓度区间。正常燃烧范围内,NOx排放一般低于20×10 6,即使在接近爆燃的工况,试验中测得的NOx排放也低于100×10 6;HC和CO排放明显高于柴油机。随甲醇浓度降低,HC和CO排放降低,NOx排放略有升高。     

氢气辅助正丁烷催化着火特性

针对氢气辅助正丁烷在Pt催化剂表面的着火特性,设计了实验系统,重点讨论了氢气量、催化剂长度、正丁烷当量比和雷诺数对着火过程的影响。实验结果表明,氢气量增加能够使着火过程变快;催化剂长度减小到一定程度不能引发正丁烷着火;随当量比和混合气总流量增加,正丁烷着火温度下降,相对于扩散和表面吸附作用,气相正丁烷的表面反应成为影响反应进程的关键性因素。     

污水污泥着火和燃烧特性研究

采用热分析的方法对4个污水处理厂的污泥在空气气氛下的着火燃烧过程及其动力学特性进行了研究,分析了污泥着火机理,确定了污泥的着火温度和综合燃烧特性指数,提出污泥在空气气氛下的燃烧分3个阶段,第1阶段是水分析出阶段;第2阶段是有机物的分解燃烧和固定碳燃烧阶段,这一阶段是污泥燃烧的主要失重阶段;第3阶段是无机物的分解阶段.其中第1个阶段是吸热过程,第2阶段是放热过程.采用双组分分阶段一级反应模型求出了4个污泥样品的表观活化能和指前因子,给出了样品热解的动力学方程,通过理论计算,双组分分阶段一级反应模型的理论数据与实验数据吻合良好.     

聚甲氧基二甲醚–2燃烧动力学模型及试验研究

采用试验研究与动力学建模相结合方法,对聚甲氧基二甲醚-2(polyoxymethylene dimethyl ethers-2,PODE₂)的中低温燃烧特性进行了研究。基于二甲氧基甲烷(dimethoxymethane,DMM)详细反应机理,遵循基于反应类的速率准则构建了PODE₂详细化学反应动力学机理,并与文献试验数据进行了验证;在快速压缩机试验平台测量了PODE₂在温度范围为550～900 K,当量比为0.5、1.0、2.0时着火延迟时间,结合所构建的详细反应机理,对PODE₂中低温条件下自着火过程控制因素进行了分析。结果表明,所构建的PODE₂反应机理可以很好地再现试验测量的着火延迟时间,对文献中现有的试验数据均能给出合理的预测。PODE₂自着火过程呈现明显的两阶段着火现象,没有表现出负温度系数(negative temperature coefficient,NTC)行为;PODE₂第一阶段着火延迟时间在低温段随温度呈线性变化...