一种新的燃烧方式——均匀充量压缩着火的研究进展

分析均质充量压缩着火的特点,国外将均质充量压缩着火方式应用于往复式发动机中的研究现状,阐述燃料系统的设计,并探讨在我国开展均质充量压缩着火研究工作的必要性和方案。     

均质充量压缩着火发动机燃烧的研究与进展

均质充量压缩着火燃烧能解决柴油机的排放问题,是很有前途的燃烧技术之一。本文介绍了几种均质充量压缩着火燃烧系统,包括进气道喷射、缸内早期喷射、推迟喷油定时和分段喷射燃烧系统;分析了均质充量压缩着火燃烧的特点和有待解决的问题。     

二甲醚均质压缩燃烧的数值模拟研究

采用最新的二甲醚(DME)化学动力学反应机理(DME氧化机理包括399个基元反应,涉及79种组分),利用LawrenceLivermore国家实验室开发的HCT软件,进行DME均质充量压燃着火过程的变参数研究。从理论上分析讨论进气温度、进气压力、燃空当量比、发动机转速对燃烧的影响。研究结果表明:DME的均质充量压燃(HCCI)燃烧过程有明显的两阶段,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均质压缩燃烧过程的变化。     

基于可变技术的均质充量压缩着火燃烧控制

均质充量压缩着火(HCCI)是目前发动机领域的研究热点之一。通过分析可变技术对HCCI着火燃烧相位控制的原理及其国内外的研究进展,为实现HCCI成功应用及扩大HCCI功率及转速范围探寻切实可行的方案。分析表明,综合利用可变技术是在更大范围内实现HCCI稳定燃烧、扩大HCCI燃烧功率输出的主要发展方向。     

在直喷式柴油机上进行HCCI新概念燃烧的探索研究

从形成均匀预混合气及着火后具有良好化学反应动力学效应的角度出发,在单缸135直喷式柴油机上采用双收口型燃烧室、P型喷油泵、预喷射、伞喷油嘴、乳化柴油及乙醇柴油等方法,对实现均质充量压缩着火(homogeneous charge compression ignition,HCCI)燃烧的多种途径进行了对比试验。结果表明:应用伞喷油嘴有效促进了着火前缸内均质预混合气的形成,具有进一步在小排量增压中冷、高压电喷柴油机上推广的潜力;通过燃料设计可控制着火在上止点附近并提高燃烧速率,有利于实现高效、低排放的近似等压预混合燃烧方式。     

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。     

天然气发动机的研究现状

天然气能降低发动机的有害物排放,是一种比较理想的发动机代用燃料。稀燃天然气发动机具有较高的热效率和较低的NOx排放。均质充量压缩着火(HCCI)燃烧也是提高稀燃天然气发动机热效率的方法之一,并有很低的NOx排放。本文综述了稀燃天然气发动机和HCCI天然气发动机的研究进展,尤其是燃烧室形状、点火系统、充量分层、加氢等对天然气发动机性能的影响及天然气HCCI发动机的燃烧与排放特点。     

微动力装置均质催化压燃过程的模拟

基于甲烷气相反应化学动力学机理,耦合甲烷在铂(Pt)表面催化反应机理对微型自由活塞式动力装置带有催化燃烧的均质充量压缩燃烧(HCCI)过程进行数值模拟研究,实现了自由活塞运动与燃烧过程耦合的计算方法.在此基础上对微燃烧室底部添加催化剂的模型与未添加催化剂的模型模拟结果进行了对比.根据H2O2质量分数变化曲线定义了微自由活塞动力装置开始着火时段.通过数值模拟发现,催化燃烧可以使着火时刻提前,压缩比减小,滞燃期缩短,燃料燃烧产生能量的使用效率提高,拓宽微自由活塞压缩均质混合气着火界限;而且得到了催化作用对微燃烧室内温度、压力等因素的影响情况.结果表明:催化作用可以降低微燃烧室内最高燃烧压力及最大压力升高率,从而降低微自由活塞动力装置运行粗暴性,使工作过程平稳.     

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。     

混合气初始状态对微型燃烧室内HCCI燃烧的影响

基于微型燃烧室内自由活塞单次压缩实现均质充量压燃(homogeneous charge compress ignition,HCCI)燃烧的可视化试验,结合甲烷的详细化学反应动力学机理及动网格技术,建立了三维动网格模型,将自由活塞运动与燃烧过程相耦合,对不同初始状态下微型燃烧室内HCCI燃烧特性进行了数值模拟,得到了不同初始温度、初始压力、当量比及混合气泄漏下的燃烧特性及动力特性的变化规律。研究结果表明:初始温度、初始压力及当量比对微型燃烧室内HCCI燃烧影响较大,随着初始温度的升高,微型燃烧室内HCCI压缩着火范围扩大,但随着初始压力的增大,压缩比降低,压缩着火范围减小,当量比的变化显著影响微型燃烧室内HCCI压缩燃烧的最高温度和最高压力,混合气泄漏主要影响膨胀过程,对动力性能影响非常显著。     

过量空气系数对HCCI汽油机燃烧特性的影响

在一台Ricardo Hydra单缸四气门汽油机上,利用气门重叠负角方法实现了均质充量压缩着火(HCCI)燃烧,并通过试验研究了过量空气系数对HCCI汽油机燃烧特性的影响.研究结果表明,在相同的转速和气门相位角下,随着过量空气系数的增加,平均指示压力减小,缸内残余废气率也减小,但燃油消耗率的变化趋势与转速有关.在大多数工况下,过量空气系数为1.05时,HCCI发动机的着火时刻最早,燃烧持续期最短.过量空气系数对循环波动的影响与转速和气门相位角有关.随着转速的增加,循环波动增大.     

均质充量压缩着火燃烧碳氢生成和边界层贡献的试验研究

试验研究了均质充量压缩着火(HCCI)燃烧过程中边界层区域HC生成、分布与消耗历程,考察了边界层各个区域对整体HC排放的贡献比例。为此,在快速压缩机上利用瞬态HC排放仪测量了均质混合气在当量比0.4、不同压缩比下靠近气缸盖底面和气缸体侧面不同距离的各测点在全反应历程内的HC浓度。研究发现:压缩比降低使得边界层效应更加明显;同一工况下,气缸盖底面和气缸体侧面的边界层厚度因受到压缩挤流和壁面传热的影响而不同,气缸体侧面的边界层效应比气缸盖底面的更加显著;靠近气缸盖底面和气缸体侧面2mm以内的区域对整体HC排放的贡献较高,气缸中心燃烧核心区域贡献较小。     

柴油机劣质燃料着火和燃烧特性的实验研究和热力学分析

本文在一个高温高压定容燃烧装置上对五种典型燃料的着火和燃烧特性进行了实验研究。五种燃料的着火滞燃期与充量压力和温度的关系整理为Arrhenius型经验关系式。实验发现,在较高的充量压力和温度条件下,计算的芳香族指数CCAI和燃料着火滞燃期之间趋于线性关系,而在较低的充量压力温度条件下,似乎存在一个拐点,当CCAI值小于这一拐点时,CCAI值对燃料着火滞燃期影响较小,当CCAI值大于这一拐点时,燃烧着火滞燃期随CCAI值增加而迅速增加,充量的温度压力越低,曲线斜率越大。此外,对充量状态对燃料燃烧速率的影响也进行了实验研究和计算分析。     

二级充量分层策略对低温燃烧过程的调控规律

从发动机低温燃烧模式的燃烧过程难以控制的问题出发,对分层低温燃烧充量状态的合理组织,提出了充量状态二级分层的概念,将缸内充量分为高活性局部充量和低活性均质充量,通过对这二级充量的控制,达到对整个低温燃烧过程的控制.通过实验,以高活性局部充量的喷油正时和低活性均质充量的活性为变量,研究了该二级分层的控制效果,实现了高活性...     

小升程凸轮轴发动机HCCI燃烧特性的研究

为了在发动机的低速低负荷区实现均质充量压缩着火（HCCI）燃烧，设计了气门升程小和气门开启持续期短的进、排气门凸轮轴，并将其安装在Ricardo Hydra单缸汽油机上。试验研究了发动机使用理论空燃比混合气时的燃烧情况，结果表明，使用负气门重叠角可以在低速低负荷区实现HCCI燃烧。在HCCI燃烧方式下运行时的平均指示压力（PIMEP）依赖于气门定时和发动机转速。排气门关闭越早，缸内的残余废气量增加，每循环进气量减少，燃烧持续期变长，PIMEP减小，然而泵气损失减小；进气相位对PIMEP的影响小于排气相位的影响；高的发动机转速对燃烧过程的影响类似于排气门早关．     

微型动力装置燃烧过程及做功能力评价

为研究微型动力装置燃烧室内燃烧特性及动力性能,对微燃烧室内燃烧过程进行可视化试验,分析了微燃烧过程中混合气的燃烧特性及不同自由活塞初速度对微燃烧室内压力及做功能力的影响.结果表明:二甲醚/氧气混合气体在微均质充量压缩着火(HCCI)燃烧过程中存在两阶段着火特性,随着自由活塞初速度的增加,微燃烧室内峰值压力增加,压力升高率峰值增大,平均指示压力增大,指示热效率提高.当微燃烧室直径为3,mm、体积为0.26,cm3、自由活塞初速度为22.5,m/s和平均指示压力为3.4,MPa时,微型动力装置可产生70,W的功率,功率密度为269,MW/m3,具有较大功率密度优势.     

乙醇-正庚烷燃料均质压缩过程着火与燃烧特性的研究

详细研究了乙醇正庚烷混合燃料实现均质充量压缩过程的自燃着火特性和燃烧特性。在单缸HCCI发动机上，开展了正庚烷、10％～50％乙醇正庚烷燃料在1800r／min下不同负荷时的试验研究。研究表明，在正庚烷中加入30％～40％比例的乙醇，HCCI运行的平均指示压力可以从0．34MPa拓展到0．52MPa，大负荷下的指示热效率达到50％，但低负荷热效率显著降低。由于乙醇较高的辛烷值，随燃料中乙醇比例的增加，低温反应明显推迟，发生低温反应的起始温度相应升高，峰值放热率降低，并且当乙醇比例达到50％以后，观察不到明显的低温反应。由此导致高温着火时刻推迟，燃烧持续时间延长。正庚烷、10％～30％乙醇正庚烷的HC较低，但是乙醇比例达到40％后，HC显著升高。CO排放在平均指示压力0．15～0．25MPa最高，负荷增加后得到改善。在供给相同的循环热量条件下，随乙醇比例增加，最大燃烧压力以及对应时刻、着火时刻都呈现明显的变动。     

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.     

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。     

二次燃料喷射正时对发动机性能影响的试验

研究了燃料二次喷射正时对以乙醇、甲醇和汽油混合燃料的准均质充量压燃直喷发动机燃烧和排放性能的影响.结果表明:均质充量压燃发动机的燃烧质量、排放性能可以直接进行控制,并且发动机工况区间也可以利用二次燃料喷射正时来扩展;随着二次喷射正时的延迟,着火时刻被推迟;与纯汽油燃料相比,低当量的混合燃料利用二次燃料喷射正时的优化,可以获得良好的燃烧性能、较低的氮氧化物、未燃烧碳氢化合物与一氧化碳的排放、较高的指示平均有效压力和较高的指示效率;同时,对试验所用燃料而言,二次燃料喷射正时都可以缓解氮氧化物与碳烟排放之间的矛盾.