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。     

HCCI发动机着火时刻控制参数的研究

以二甲醚、甲烷/丙烷混和物、异辛烷/正庚烷混合物作为燃料，模拟研究了燃料成分、压缩比、燃空当量比、进气温度、进气压力对均质充量压燃（HCCI）发动机着火时刻的影响。计算结果表明：随燃料十六烷值的增加，着火延迟期减小；随燃料辛烷值的增加，着火延迟期增加。而压缩比，燃空当量比，进气温度对三种燃料着火时刻有显著影响。进气压力的变化对高十六烷值的燃料着火延迟期影响较小，但对辛烷值高的气体燃料着火延迟期影响比较明显。     

二甲醚发动机燃烧特性的试验与数值模拟研究

在一台直喷式压燃发动机上开展了二甲醚燃烧与排放特性的试验与数值模拟研究。测量了二甲醚在高压燃油泵内的泄漏量及其与发动机转速之间的定量关系,并就发动机分别燃用二甲醚和柴油的运转性能进行了对比试验研究,结果表明,发动机燃用二甲醚要比燃用柴油具有更好的性能与排放水平;另从二甲醚低温着火的化学反应机理人手,开展了其自燃着火过程的数值模拟研究,进而建立了计及温度、压力和燃空当量比因素的DME滞燃期数据库;通过将该数据库与发动机循环模拟程序相耦合,对DME发动机的运转性能进行了变参数预测分析,预测结果与试验结果吻合较好。     

二甲醚、乙醇和甲烷均质压燃的模拟比较

在相同条件下对二甲醚(methoxymethane,DME)、乙醇和甲烷进行均质压燃(homogeneous charge compression ignition,HCCI)燃烧的模拟,改变压缩始点的缸内温度及压力、压缩比、燃空当量比中的一个以考察其对三种燃料HCCI燃烧过程的影响.随着压缩始点温度和压力、压缩比的提高,三种燃料的着火时刻都提前;提高燃空当量比,DME的着火时刻提前,而甲烷和乙醇则相反;三种燃料低温下的主要脱氢途径都是与OH自由基发生的脱氢反应;三种燃料实现HCCI燃烧的条件不一样,模拟结果给出了大致的趋势.     

灵活缸重整模式下低温重整产物对压燃式发动机燃烧和排放影响的数值模拟研究

采用数值模拟方法研究了第一参比燃料(PRF50)的低温重整过程及其产物对压燃式发动机燃烧和排放特性的影响。研究结果表明,PRF50燃料的低温重整区域随当量比的增加而增大,初始温度和压力的选择范围变化有限,并且PRF50燃料发生低温反应的触发界线开始向较高的初始进气温度方向移动;初始进气温度和当量比对重整过程的影响要大于初始压力的影响;PRF50燃料的低温重整产物均可使PRF50燃料均质充量压燃的燃烧相位提前,且重整产物的加入改善了发动机有害排放中一氧化碳、未燃碳氢和氮氧化物的排放,指示热效率也可提高约3.0%。     

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.     

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.     

不同参数对PCCI-DI发动机燃烧压力和温度影响的数值模拟研究

采用一部分DME燃料在发动机进气管与空气预先混合形成均质混合气进入气缸,在压缩行程末期利用压燃式发动机的燃油喷射装置喷入柴油实现PCCI-DI燃烧,开展了不同参数对PCCI-DI发动机燃烧温度和压力影响的数值模拟研究。结果表明,随着供油提前角的提前和二甲醚预混比的增加,PCCI-DI发动机缸内的最高爆发压力和最高燃烧温度升高,涡流比和喷油器参数也对燃烧温度和压力有一定影响。     

进气温度和过量空气系数对乙醇均质压燃燃烧过程的影响

在一台经过改进的CA6110发动机上,进行了进气温度和过量空气系数对乙醇燃料均质压燃燃烧过程影响的试验研究．结果表明,在转速和供油量一定时,随着进气温度的升高,着火始点提前,燃烧持续期变短,压力升高率变大,缸内的最大燃烧压力变大,指示效率提高,平均指示压力升高．当进气温度一定时,随着过量空气系数的减小,着火始点提前,燃烧持续期逐渐变短,压力升高率变大,缸内的最大燃烧压力变大,指示效率增加．     

燃烧边界条件对乙醇均质压燃燃烧的影响

在一台由CA6110柴油机改造而成的单缸发动机上进行了燃烧边界条件对乙醇燃料均质压燃（HCCI）燃烧过程影响的试验研究。结果表明，在转速和进气温度一定时，随着过量空气系数的增加，着火始点推迟，燃烧持续期变长，缸内的最大燃烧压力降低，放热率降低，φ50（50％乙醇燃烧放热量所在的曲轴转角）位置推迟，燃烧效率降低；在发动机转速、进气温度和过量空气系数一定时，随着EGR率的升高，着火始点推迟，燃烧持续期延长，φ50位置推迟，放热速率降低，压力升高率变小，缸内最大燃烧压力减小，燃烧效率降低。在转速和供油量一定时，随着进气温度的升高，着火始点提前，燃烧持续期变短，压力升高率变大，缸内的最大燃烧压力变大。得到了发动机转速、过量空气系数和对应于最大指示热效率点的进气温度间的MAP图。     

The effects of hydrogen addition on engine power and emission in DME premixed charge compression ignition engine

Premixed-charge compression-ignition (PCCI) combustion of dimethyl-ether (DME) with double injection strategy was investigated in a single-cylinder compression-ignition engine. DME main-injection was replaced by hydrogen to reduce carbon dioxide emissions. To study the effect of hydrogen, the injected amount of hydrogen was increased. Engine performance and emission of DME PCCI combustion were compared to those of hydrogen–DME PCCI combustion. In the DME PCCI engine operation, DME was injected directly into the cylinder at −120 crank angle degrees (°CA) after top dead center (aTDC) to simulate homogeneous charge at first, and then DME was injected secondly with varied second injection timing. In this case, DME injection timing in the second stage affected the engine performance and emissions. Delayed combustion phase showed a higher indicated mean effective pressure (IMEP), while it increased NO_x emission when DME second injection is retarded. In the hydrogen–DME PCCI, hydrogen was injected at intake port with fixed injection timing. DME injection timing in hydrogen–DME PCCI combustion was also varied from −120 °CA to TDC, as in the DME PCCI engine operation. The total supplied heating value was fixed at 400 J for all cases. DME injection timing determined the start of combustion for the hydrogen–DME PCCI. With increasing the amount of hydrogen, exhaust emissions were reduced. Hydrogen–DME PCCI engine was operated with minimum amount of DME via the hydrogen addition and DME injection timing control. The optimized DME injection timing, −30 °CA aTDC, resulted in a lower exhaust emission-operation, while maintaining a higher IMEP.     

甲醇缸内直喷热氛围燃烧的试验研究

在单缸直喷式柴油机上进行了二甲醚(dimethyl ether,DME)气道喷射和甲醇缸内直喷的甲醇热氛围燃烧试验研究．结果表明,该燃烧方式呈现分布式放热规律,燃烧过程可分为DME低温放热、高温放热和甲醇扩散燃烧 3个阶段．随负荷的增加,实现稳定燃烧的最小DME比例减小．随DME比例减小,DME高温放热和甲醇燃烧滞后．在稳定燃烧的情况下,随DME比例的增大,燃烧效率和热效率降低,HC和NOx排放呈上升趋势,而CO排放先升高后降低．综合考虑,采用最小比例DME有利于提高其热效率、降低排放．此时热效率、HC排放与原柴油机相当, NOx降低约50％,但CO排放相对原柴油机有较大幅度的增加．     

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。     

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。     

二甲醚(DME)在压燃式发动机上应用研究的新进展

大量的研究表明二甲醚(DME)是压燃式发动机的一种较为理想的代用清洁燃料，本文介绍了迄今为止DME在压燃式发动机上应用研究的最新进展。研究人员借助各种先进手段对DME的热物性和喷雾、燃烧特性进行了深入的研究，从理论上探讨了DME的燃烧过程及其能实现超低排放的机理，试验研究了发动机在不同工况下的各项性能指标。在此基础上一些国家开发出了新型的DME燃料供给和喷射系统，并成功应用在车辆上。     

二甲基醚燃烧过程及其优化的数学模拟研究（Ⅱ）

用作者建立的DME燃烧过程数学模型对DME燃烧过程优化进行了研究,研究了不同喷嘴,不同喷油提前角和进气涡流比对DME燃烧过程及NOx生成的影响,结果表明,供油提前角对DME燃烧过程的影响变化趋势与柴油类似,喷油提前角减小,NOx排放减小,通过增大喷孔流通截面积提高喷油速率和降低发动机的涡流比可以改善发动机的经济性能,但发动机的NOx排放将会有所增加,优化DME燃烧过程措施是燃烧经济性和NOx排放的折衷。     

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。     

双燃料HCCI燃烧的优化策略

对有废气再循环(EGR)的情况下单一二甲基醚(DME)、DME／甲醇(Methanol)和DME/天然气(CNG)双燃料的均质压燃(HCCI)燃烧进行了实验研究．研究结果表明,单一DME的HCCI只能在小负荷下实现．采用DME／甲醇双燃料后,HCCI的负荷范围达到了原柴油机中高负荷水平．EGR能扩大双燃料HCCI的可控燃烧范围,但对扩展双燃料HCCI燃烧的负荷范围作用不大．分层燃烧技术有扩大双燃料发动机的负荷范围到大负荷的潜力．DME／甲醇双燃料HCCI的指示热效率要优于DME／CNG．在低负荷工况,采用单一DME加EGR的HCCI燃烧能获得更好的经济性指标．     

二甲基醚均质压燃化学动力学简化模型的研究

由于详细的化学动力学模型与多维流动动力学模型耦合的高度复杂性,很难将其应用于模拟实际发动机的工作过程。在详细反应动力学研究基础上,通过对二甲基醚(DME)均质压燃燃烧反应途径和敏感性分析,建立了均质压燃二甲基醚的简化动力学模型。此模型在Curran et al模型基础上构建,包括26种产物和28个基元反应。结果表明,提出的二甲基醚简化动力学模型与详细动力学模型计算结果相当吻合,简化模型在对着火时刻、缸内温度和压力计算结果与详细模型基本一致,简化机理对变初始温度和混合气浓度也有较好的预测能力,可应用于模拟二甲基醚HCCI的燃烧过程。