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。     

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．     

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。     

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．     

正庚烷均质压燃燃烧反应化学动力学数值模拟研究

应用零维详细化学反应动力学模型，对正庚烷均质压燃燃烧反应的化学反应动力学过程进行了数值模拟研究，分析了在内燃机边界条件下影响其燃烧反应的关键基元反应、关键中间产物以及自由基。结果表明，正庚烷的燃烧过程由高温反应和低温反应两个阶段组成，高温反应阶段又可以分为蓝焰反应和热焰反应两个阶段。正庚烷氧化反应首先经过脱氢反应，第一次加氧异构化后的第二次加氧是低温反应的必经途径，其产物的两次分解是低温反应阶段OH自由基的主要来源；蓝焰反应阶段主要是甲醛氧化成CO的过程，H2O2的热分解是控制该阶段反应最重要的基元反应，也是OH自由基的主要来源；热焰反应主要是CO氧化成CO的过程；CO的生成途径是：低温反应生成的甲醛(CH2O)脱氢生成HCO，HCO氧化生成CO，OH是CO氧化为CO2和正庚烷脱氢反应最重要的自由基。     

边界条件对正庚烷均质压燃燃烧过程的影响

应用零维详细化学反应动力学模型，对不同边界条件下正庚烷（n—heptane）均质压燃燃烧反应的化学反应动力学过程进行了数值模拟研究，得出了以初始温度和燃料当量空燃比这两类边界条件为函数，压缩比为17，转速为1400r／min的HCCI全工况解。结果表明：HCCI燃烧分为完全燃烧区域、低温反应和蓝焰反应区域、仅发生低温反应区域和失火区域；不发生热焰反应的关键是反应H＋O2=O＋OH进行程度浅，不能生成足够的OH自由基使CO氧化成CO2；蓝焰反应也不发生而仅发生低温反应的关键是H2O2分解反应的进行程度浅，H2O2只有在缸内温度达到1000K时才能快速分解，这就不能生成足够的OH自由基使甲醛转化成CO2低温反应和蓝焰反应区域是高CO排放区，仅发生低温反应的区域是高甲醛排放区。     

当量比燃烧天然气发动机铑基三效催化器次生污染物研究

建立了一种适用于当量比燃烧天然气发动机的Rh基三效催化器(TWC)整体模型,研究了排气温度和组分对TWC系统次生污染物N2O和NH3生成特性的影响。结果表明：N2O主要在起燃和低温(400～605 K)下通过CO还原NO反应生成;高温状态下(>850 K)NH3通过H2还原NO反应生成,H2来源于蒸汽重整(SR)和水煤气变换(WGS)反应。H2浓度的增加促进了N2O和NH3生成,高温下N2O会与H2发生还原反应,导致N2O有所降低。H2O和CH4对N2O和NH3生成的影响随着温度变化而变化。在一定温度范围内,随着O2浓度的增加,NH3生成大幅降低;高温下高O2浓度会促进N2O生成。研究还发现,排气中O2浓度在4000 × 10-6左右时,排温控制在580～850 K,能实现N2O和NH3近零排放。     

双燃料船机天然气喷射规律对燃烧特性的影响

基于高压直喷(highpressuredirectinjection,HPDI)天然气船用低速机,采用计算流体力学(CFD)软件Converge开展三维数值模拟研究,探究了天然气喷射规律对缸内着火及燃烧特性的影响.结果表明,随着天然气喷射速率的降低,缸压、放热率和平均温度峰值显著降低.当喷射速率从1.30 kg/s降低到0.78 kg/s时,放热率峰值持续时间延长了约15°CA,缸压降低了约2 MPa,导致燃烧相位延后,发动机做功能力降低.降低喷射速率使得缸内火焰发展速度变慢且火焰浮升长度更晚到达稳定值.进一步分析燃烧过程的高温反应和低温反应发现,天然气喷射速率降低使得燃烧初期的低温反应速率降低;2.5°CA前总体高温反应无明显变化,但随后高温反应随着天然气喷射速率的降低而减弱.天然气喷射速率越低,燃烧反应进行至约1.5°CA后富燃区低温产物CH_2O和H_2O_2浓度峰值越高,且峰值持续时间更久,其原因为富燃区低温产物消耗较慢且火焰对富燃区的影响相对滞后,使低温产物快速消耗的时刻推迟.     

增压稀燃天然气发动机排放特性

为了研究增压稀燃天然气发动机的排放特性,对发动机进行了空燃比和点火提前角调整试验、十三工况排放等试验,并在增加氧化型催化转化器后进行了相关试验,对试验结果进行研究分析,获得了天然气发动机的排放规律.结果表明:NMHC排放随空燃比增大先减少后增加,NOx排放随空燃比增大先增加后减少,在空燃比19～21左右达到最大值.NMHC比排放随转速升高略有降低,NOx排放随转速升高先减小后增加,发动机最低NOx排放点所对应的发动机转速为1600～1800 r/min.定MAP下,NMHC排放随点火提前角增大先降低后增加,NOx排放随点火提前角增大而增大.加Ⅰ型氧化催化器后发动机NOx、CH4、CO、NMHC排放值分别减少了15%、97%、78%、60%.试验结果表明,增压稀燃和氧化型催化转化器相结合是天然气发动机一种有效方案.     

点火位置对天然气直喷超稀燃烧影响的基础性研究

利用快速压缩装置进行了点火位置对天然气直喷超稀燃烧的基础性研究，研究结果表明：对于给定的当量比来说，存在一个最佳点火位置，在此位置点火时可以获得最短的燃烧持续期、最大的压力升高值、最高的燃烧效率，最快的燃烧放热率和最低的CO和未燃碳氢排放。最佳点火位置随当量比的减小而移向喷油嘴出口位置。当点火位置靠近喷油嘴出口位置时，稀燃极限可以延伸到更小的当量比，但可着火的当量比的范围变得狭窄。当量比大于0.1时，燃烧效率将维持在较高的数值；当量比小于0.1时，因未燃燃油所占的比例增加，燃烧效率明显降低。     

二甲基醚（DME）燃烧特性研究

作者在定容燃烧弹上用火焰直接成像法研究二甲基醚 (DME)燃烧过程 ,研究了 DME的滞燃期和火焰传播特性以及不同环境温度和压力对燃烧过程的影响。研究结果表明 ,DME的滞燃期比柴油短 ,燃烧室内的温度和压力升高时 ,滞燃期缩短 ;DME的着火位置靠近喷嘴一侧 ,柴油与 DME的体积相同时 ,DME的燃烧持续期比柴油短 ;DME的燃烧火焰亮度比柴油小 ,表明 DME的燃烧温度比柴油低。燃烧后期 ,燃用 DME时 ,喷嘴有明显的泄漏现象。此外 ,作者在单缸直喷式柴油机上进行了燃用 DME的燃烧特性试验研究 ,研究结果表明 ,DME的预混合燃烧放热率比柴油低 ,缸内最大爆发压力和最大压力升高率比柴油低。由于喷油持续期延长 ,DME的燃烧持续期比柴油长 ,在上止点后 80° CA出现一个较大的放热峰值。     

铝锂/镁合金与H_2O反应的热力学分析

根据吉布斯能最小原理,利用FactSage计算研究了Al-Li-H2O体系和Al-Mg-H2O反应体系的热力参数,研究了温度、合金组成和H2O量的影响。结果表明:Al-Li-H2O体系氧化反应可以自发进行,随着温度的升高反应放出的热量减少;合金组成中Al含量越高,生成的H2越少;随着Li含量增大,固态产物由Al2O3向LiAlO2、Li2O转变。Al-Mg-H2O体系氧化反应可以自发进行,随着温度的升高反应放出的热量减少;合金组成中Al含量越高生成的H2越多;随着Mg含量增大,最终固态产物由Al2O3向MgAl2O4、MgO转变。Al中添加Li或Mg因产物发生转变而对制氢反应有促进作用;H2O量增加有助于反应最终温度的降低,温差为1800~2000 K,对金属制氢的实施应用有指导意义。     

高钙煤灰增湿脱硫的热天平模拟实验

(上海交通大学 能源工程系) 摘要：采用热天平研究了低温(30°C～130℃)条件下湿高钙煤灰的脱硫特性，指出水是低温下高钙煤灰进行 脱硫反应的前提条件。探讨了水钙摩尔比(H2O/CaO)、温度、二氧化硫浓度和钙硫摩尔比(Ca/S)对煤灰脱硫 效率的影响。结果表明，随着H2O/CaO、二氧化硫浓度和Ca/S的增大，脱硫效率提高；随着温度的升高，脱硫 效率降低。     

火花点火发动机燃用天然气掺氢混合燃料循环变动研究

在火花点火天然气发动机上开展了不同掺氢比天然气掺氢混合燃料(氢气在混合燃料中的体积分数为0%、12%、23%、30%和40%)循环变动的试验研究,试验工况点对应于发动机中低负荷.分析了掺混氢气对天然气发动机循环变动的影响.研究结果表明:在稀燃条件下,随着掺氧比的增加,缸内最高压力、最大压力升高率以及平均指示压力均增加.随着掺氢比增加,缸内最高压力与其对应的曲轴转角之间和最大压力升高率与其对应的曲轴转角之间的相关性更强.在化学计量比或浓燃时,掺混氢气可以维持平均指示压力的循环变动系数在较低的水平.在稀燃时,平均指示压力的循环变动系数随掺氢比增加而降低.平均指示压力的循环变动系数达到10%所对应的过量空气系数随掺氢比增加而增加,表明天然气掺混氢气扩展了天然气发动机的稳定稀燃极限.     

重型增压预混天然气发动机动力性和排放性试验研究

为解决天然气发动机排放问题,对严重影响天然气发动机HC和NOx排放的空燃比和点火提前角这两个参数进行试验研究。结果表明,增大点火提前角可以提高发动机功率输出,降低有效燃气消耗率和HC排放,增加NOx排放;增大空燃比,发动机功率和NOx排放下降,而有效燃气消耗率和HC排放上升,且均在稀燃极限空燃比时急剧变化。     

高电压下浓/稀天然气燃烧特性的对比研究

利用定容燃烧装置研究了高电压作用下浓/稀天然气火焰的燃烧特性,并探讨了以自由电子为主的阴离子对火焰燃烧的作用机理。试验中加载电压为0kV、5kV和10kV,浓/稀混合气的过量空气系数λ分别为0.8和1.4。在加载电场作用下,球形膨胀火焰在与电场相反方向上的火焰传播明显加快,火焰传播速度和火焰拉伸率随加载电压的增强而增大,稀燃混合气的火焰传播的增强程度最为明显。加载10kV电压时,λ为0.8和1.4火焰的平均速度比没有电场作用时分别增加了36.4%和49.5%。火焰传播速度的增强,促进了燃烧过程的进行,使得混合气燃烧的滞燃期缩短,压力升高率增加,且压力峰值时间提前。稀燃混合气的燃烧压力峰值有较大提高,而浓燃混合气的压力峰值变化不大。试验中加载电场对球形膨胀火焰燃烧的作用机理可用火焰中的阴离子,尤其是O_2~-主导的离子风效应来说明。同时,电场在一定程度上也促进了火焰燃烧化学反应的进行。     

四气门汽油机准均质稀混合气燃烧过程的实验研究

在一台未做任何结构改动的四缸、16气门进气道喷射产品发动机上，通过二次喷油技术形成优化的缸内准均质稀混合气浓度分布，从而实现准均质稀薄燃烧，性能实验结果表明，两次喷油可拓展发动机的稀燃极限1．5～2个空燃比单位，最高达23．5；发动机燃油消耗同原电控喷射发动机相比可降低19．1％；在整个空燃比范围内，经过优化的两次喷油稀燃的最低油耗较单次喷油稀燃下降6．5％。     

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。     

柴油引燃天然气发动机着火特性及其影响因素的研究

对一台由涡轮增压中冷直喷式柴油机改装的气口顺序喷射、稀燃、全电控柴油／天然气双燃料发动机进行了着火与失火及其影响因素的研究．以HC排放的急剧增加作为发动机发生失火现象的判断标准，得到了不同负荷的最小引燃柴油量同过量空气系数A的关系，同时采用现象学燃烧分析模型，详细分析了引燃柴油在天然气着火过程中的作用，发现柴油引燃天然气发动机燃烧过程可以在很稀的条件下(λ＝3．5)实现稳定着火和燃烧，这是由于引燃柴油着火后，对天然气／空气混合气的挤压，使天然气／空气混合气温度升高，促进了活化基及易燃中间产物的生成．提高进气温度同样有助于提高活化基和易燃中间产物的生成，提高放热速率。     

柴油机燃烧多环芳香烃前驱体等物质的化学动力学研究

为了揭示混合气浓度对柴油机排放的影响规律,采用正庚烷氧化详细反应机理及化学动力学分析软件对不同燃空当量比下柴油机燃烧初级碳烟粒子前驱体等重要反应中间产物或自由基的形成及发展历程进行了数值模拟．模拟结果表明,降低混合气浓度可以实现低温燃烧,使燃烧温度远离“碳烟形成温度窗”,大幅度降低柴油机碳烟排放．混合气浓度对反应中间产物或自由基有重要影响,通过改变混合气浓度可以控制燃烧过程中多环芳香烃(PAH)前体物乙炔(C2H2)、炔丙基(C3H3)及其他重要物质羟基(OH)、过氧羟自由基(HO2)、过氧化氢(H2O2)、甲醛(CH2O)和一氧化碳(CO)等的生成量,从而实现控制柴油机排放．