双燃料发动机的燃烧模型

针对双燃料发动机燃烧特性，建立了柴油喷雾扩散燃烧子模型和气体燃烧均质混合气火焰传播燃烧子模型，应用该模型研究了双燃料发动机燃烧机理，计算结果和实验结果相当吻合。计算表明：当引燃柴油比例较大时，双燃料发动机燃烧过程以喷雾混合控制燃烧为主，柴油喷雾扩散燃烧模型与实测较吻合；当柴油比例较小时，该过程以均质混合气火焰传播燃烧为主，均质混合气火焰传播燃烧模型与实测软吻合。计算结果表明，引燃柴油量对双燃料发动机性能影响较大，引燃柴油减少，着火滞燃期延长，缸内最大爆发压力升高。     

基于汽油/柴油双阶段燃烧模式对低温阶段燃烧及排放性能的影响

在一台高压共轨柴油机进气总管上加装汽油喷射系统,汽油采用进气道喷射形成预混合气,柴油采用缸内大角度预喷并引燃汽油.试验以降低NOx排放和消光烟度为主要目标,探究汽油/柴油双阶段燃烧模式的汽油喷射量、柴油预喷正时、柴油预喷量对低温阶段燃烧及排放特性的影响,并通过对燃烧、排放及经济性综合考量构建喷油参数优化策略.结果表明:引入汽油后的燃烧过程呈现两阶段放热,实现了柴油着火时刻可控;增加汽油喷射量可以有效强化缸内油气混合,使主放热率峰值升高,有助于燃烧完全;该燃烧模式的低温阶段避免了传统柴油机NOx和消光烟度出现的折中关系,消光烟度处于低水平范围,均低于3%,;适度提前柴油预喷正时或减少柴油预喷量能同时降低NOx排放和消光烟度,但CO和HC会出现一定程度恶化.     

掺混策略对聚甲氧基二甲醚/甲醇双燃料燃烧影响的可视化研究

基于一台单缸光学发动机,采用高速摄影和瞬态压力同步测量方法,开展了不同掺混策略对聚甲氧基二甲醚（polyoxymethylene dimethyl ethers, PODE）/甲醇双燃料燃烧及火焰发展特性的影响研究,其中掺混策略包括P/M20（甲醇和PODE以2∶8的体积比掺混）燃料双喷射模式和缸内直喷PODE引燃预混甲醇混合气的反应活性控制压燃（reactivity-controlled compression ignition, RCCI）模式。结果表明,对于P/M20燃料双喷射模式,随着气道喷射比例增加,低温反应增强,滞燃期缩短,着火时刻显著提前,进而显著改善了燃烧稳定性;对于RCCI模式,随着气道喷射甲醇占比的增加,滞燃期延长,燃烧相位推迟,峰值压力和放热率均降低,并伴随着燃烧稳定性变差。燃烧可视化显示,两种掺混策略下,随着气道喷射比例的增加,蓝色预混火焰占比增大,最大火焰传播速度降低,由于末端未燃混合气浓度增加,火焰发展由明显的扩散燃烧逐渐转变为末端混合气不断出现新自燃点的顺序自燃模式。对比两种掺混策略可以发现,推迟缸内直喷时刻均能在一定程度上优化燃烧相位,显著改善指示热效率,然而其原因侧重点不同：对于P/M20燃料双喷射模式,提高气道喷射比例可以增强低温放热,促进着火,显著改善燃烧稳定性;对于RCCI模式,其燃烧过程主要位于上止点之后,燃烧相位更接近最佳燃烧相位,进一步减小了传热损失和循环负功,因此其具有更高的指示热效率,也更适合PODE/甲醇双燃料燃烧模式。     

基于光学发动机的柴油/聚甲氧基二甲醚引燃乙醇对比研究北大核心CSCD

为了改善内燃机燃烧与排放,探究反应活性控制压燃(reactivity controlled compression ignition,RCCI)燃烧规律,在一台轻型光学发动机上对比了缸内分别直喷柴油和聚甲氧基二甲醚(polyoxymethylene dimethyl ethers,PODE)引燃进气道喷射乙醇的燃烧特性。通过调节缸内直喷的喷油时刻和喷油比例,对燃烧过程进行了可视化试验分析。结果表明:随喷油时刻不断推迟,缸内燃烧压力与放热率呈现先增后减的趋势,喷油时刻在上止点前20°时燃烧效果最好。随着缸内直喷燃油比例的增加,每循环燃烧压力峰值和放热率峰值不断增加,燃烧相位提前,燃烧更充分。利用高速成像技术获得的图片结果显示:两种引燃模式下火焰均发生于近壁区域并向四周扩散。火焰亮度最高和面积最大的时刻出现在燃烧始点附近。PODE引燃乙醇时火焰场中无曝光区域而柴油引燃乙醇时存在较多曝光区。PODE/乙醇燃料组合相对于柴油/乙醇燃料组合的缸压和放热率峰值更高,滞燃期和燃烧持续期更短,燃烧效率更高,碳烟生成量更少。     

柴油引燃均质混合生物质热裂解油的双燃料发动机电控系统的研制

生物质热裂解油是一种"碳平衡"的可再生新型燃油,其辛烷值、挥发性及着火性等性质与汽油和柴油有很大的差别,因此很难直接在汽油机、柴油机上应用。拟采用由压燃的柴油引燃预混的生物质热裂解油均质混合气快速燃烧(Homogeneous Charge Induced Ignition,HCII)的工作模式,将一台WY290F柴油机,改造成高压缸内直喷柴油、进气道低压电喷生物质热裂解油的HCII内燃机。本文重点探讨其中的电控系统,初步试验改造成的电喷发动机以纯柴油工作时,功率和扭矩接近原机,以HCII工作时,也能稳定运转。     

丁醇均质混合气与柴油的复合燃烧特性

在一台四缸轻型柴油机上增加一套低压共轨系统,实现了进气道丁醇喷射,研究了不同负荷、不同柴油替代率条件下丁醇均质混合气与柴油的复合燃烧特性.结果表明:丁醇均质混合气与柴油复合燃烧的放热率曲线呈双峰,第一峰是由于丁醇的自燃形成的,第二峰是由于柴油点燃丁醇均质混合气形成的.在丁醇均质混合气过量空气系数不变时,丁醇自燃的始点主要受到缸内气体状态的影响,自燃的放热量与丁醇的循环喷射量呈正相关.复合燃烧的快速燃烧期始点取决于柴油的着火时刻,与丁醇的比例关系不大;快速燃烧期的终点(放热率曲线的分离点)与柴油的循环喷射量呈正相关.丁醇预混合气与柴油复合燃烧的热效率随柴油替代率的增大而增大,且高于纯柴油燃烧模式.     

汽油/柴油双燃料不同HPCC燃烧模式的数值模拟

针对汽油/柴油双燃料高比例预混燃烧(HPCC)模式,在总喷油量、主放热时刻(CA50)基本相当的条件下,对柴油早喷(E-HPCC)与柴油晚喷(L-HPCC)情况下的燃烧特性和排放特性进行了数值模拟研究.结果表明,HPCC着火和燃烧过程主要受缸内活性自由基控制,较晚喷射会导致缸内局部正庚烷浓度高、活性较大,造成高温放热提前;较早喷射正庚烷会抑制低温放热,从而增加着火时刻缸内活性自由基的数量,是放热率较高、最大压升率较大的主要原因.L-HPCC模式下,高温放热时刻缸内局部正庚烷浓度较大造成了缸内局部温度较高,促进了NOx生成,相对E-HPCC模式NOx排放较高;虽然L-HPCC局部浓度较高会促进碳烟的生成,但同时较高的燃烧温度加强了碳烟的氧化,因此L-HPCC模式的碳烟排放低于E-HPCC模式.     

增压中冷柴油-天然气双燃料发动机燃烧特性的实验研究

对天然气替代率、引燃柴油喷油时刻和中冷后进气温度等燃烧系统参数对增压中冷柴油—天然气双燃料发动机燃烧特性的影响进行了实验研究。研究结果表明：增压中冷柴油—天然气双燃料发动机的燃烧放热速率比纯柴油快，引燃柴油的着火时刻和缸内燃料空燃比值决定着双燃料发动机的燃烧特性，即着火时刻在上止点前且空燃比值较小时，其燃烧接近于定容燃烧过程，随着天然气替代率的升高，缸内最大爆发压力和最高燃烧温度升高；而着火时刻在上止点后且空燃比值较大时，其燃烧接近于等压燃烧过程，随着天然气替代率升高，缸内最大爆发压力和最高燃烧温度降低。最大爆发压力、最高燃烧放热率和最高燃烧温度随引燃柴油喷油提前角的增大而升高；而随着进气温度升高，最大爆发压力和缸内温度增大。     

汽柴油比例对汽柴油双燃料发动机性能影响的研究

以一台柴油机为原型机,增加进气道汽油喷射系统,实现进气道预混喷射汽油缸内直接喷射柴油引燃的燃烧模式,对汽柴油双燃料发动机性能进行深入的研究。研究显示:汽柴油双燃料发动机缸内燃烧压力和放热率峰值随着汽柴油比例的升高逐渐降低,并且CA50依次推后;双燃料发动机燃油消耗率呈现先降低后升高的趋势,并且在汽柴油比例65%左右取得最低值;NOx排放和Soot排放随着汽柴油比例的升高呈现单调降低趋势,并且在汽柴油比例85%左右接近零排放。     

基于分形理论的柴油引燃天然气发动机燃烧模型

以柴油引燃天然气发动机为研究对象,针对柴油引燃油的扩散燃烧和天然气气体燃料的均质预混燃烧的特点,分别建立了引燃油多区燃烧模型和基于分形理论的预混天然气气体燃料燃烧模型.在试验验证所建模型的基础上,分析了引燃油量、喷油提前角和发动机转速对柴油引燃天然气发动机性能的影响.研究表明,适当增加引燃油量和减小喷油提前角可以降低柴油引燃天然气发动机的最大缸内压力升高率,从而有利于遏制柴油引燃天然气发动机高负荷时的爆震倾向.     

甲醇燃料低速机性能仿真研究北大核心CSCD

基于某型低速柴油机,利用CONVERGE仿真软件建立了柴油模式缸内燃烧模型,并根据试验数据进行了燃烧模型标定。在标定的柴油模式缸内燃烧模型的基础上,将3个甲醇喷射器和3个引燃柴油喷射器安装在缸盖上,每个甲醇喷射器与引燃柴油喷射器成30°夹角安装,开展了柴油引燃甲醇燃烧模式缸内燃烧模拟,在100%负荷下研究了甲醇喷射器喷孔大小、引燃柴油喷射正时对发动机着火及燃烧过程的影响及与原柴油模式的对比。研究表明:甲醇喷射持续期为25°时,可以得到与原柴油机相近的缸内峰值压力水平;甲醇喷射正时不变的情况下随着引燃油喷射正时的提前角减小,发动机整体性能呈下降趋势,但下降幅度较小。     

进气道喷射乙醇柴油引燃的燃烧特性可视化

在一台光学发动机上,针对进气道喷射乙醇、柴油引燃的双燃料模式,通过改变引燃柴油的喷射脉宽和喷射定时,对燃烧特性进行了试验.研究发现:与纯柴油试验结果相比较,双燃料模式时,由于乙醇蒸发吸热的作用,缸内温度有所降低,受此影响,压缩压力降低0.3~0.5,MPa,滞燃期增加10~15°,CA,火焰呈明显的蓝色.并且,在试验条件下,引燃柴油的喷射提前角为上止点前16°,CA时,燃烧图像为典型的柴油引燃乙醇燃烧过程,最高燃烧压力对应的相位为上止点后9.6°,CA,50%累积放热对应的相位为上止点后9.1°,CA,说明燃烧效率较高.     

喷油压力和进气温度对氨/正十二烷双燃料发动机燃烧稳定性影响研究

基于一台光学发动机,在1 200 r/min转速下,采用进气道低压喷射氨气,缸内高压直喷高活性正十二烷的双燃料燃烧模式,应用火焰高速成像方法,研究了喷油压力和进气温度对氨/正十二烷双燃料发动机缸内燃烧的影响规律．结果表明,直喷燃料喷射压力降低,导致正十二烷浓度分层增大,自燃着火点增多,更有利于正十二烷引燃均质预混合的氨气;直喷压力在30 MPa和60 MPa工况下,火焰初期NH3燃烧的橘色火焰占主导,之后呈现正十二烷预混蓝色火焰与NH3橘色火焰叠加现象;在90 MPa喷射压力下,火焰发展初期正十二烷预混蓝色火焰占主导,随着燃烧发展NH3橘色火焰的比例逐渐增多．在30 MPa喷射压力下,缸内直喷正十二烷可以实现90%氨气比例的稳定着火,但是燃烧反应速率过低,燃烧持续期过长．进气温度从100℃升高到125℃后,自燃着火点数量增加,氨双燃料燃烧反应速率提高,放热率峰值增大;然而进气温度进一步从125℃提高到150℃时,对燃烧压力和放热率影响很小．上述研究表明,较低的直喷燃料喷射压力和适当提高进气温度更有利于氨燃料的稳定着火以及燃烧速率的提升和氨在双燃料中占比的提高．     

喷油定时对汽/柴油混合燃料燃烧影响的可视化研究

通过一台光学发动机,利用高速摄影技术,对纯柴油和汽油体积掺混比为60%汽/柴油混合燃料(G 60)在不同喷油定时下进行了燃烧特性试验.结果表明:G 0和G 60燃料均呈单峰放热规律;与纯柴油相比,G 60燃料最高燃烧压力pmax对喷油定时变化更为敏感.随着喷油定时提前,纯柴油和G 60燃料的滞燃期呈线性增大,着火时刻逐渐提前,着火点分布于视窗边沿,G 60燃烧图像中高亮火焰面积逐渐减少,柴油扩散燃烧比例降低,累计放热量为5%(CA 5)至累计放热量为50%(CA 50)对应燃烧持续期逐渐缩短.相对于柴油,G 60燃料滞燃期延长,着火时刻滞后,在稀燃状况下,CA 5至CA 50的燃烧持续期延长.     

柴油/汽油双燃料发动机粗暴现象的发生机理及控制措施

通过实验与模型计算 ,分析了柴油 /汽油双燃料发动机准均质燃烧过程中粗暴现象的发生机理 ,研究结果表明 :柴油 /汽油双燃料发动机出现工作粗暴的主要原因是均质混合气区放热率过大。实验结果表明 :减小柴油喷油提前角、增大汽油混合气的过量空气系数都能有效地降低缸内压力升高率 ,从而降低发动机的工作粗暴程度     

氨–柴油双燃料发动机燃烧的光学诊断研究

为了解决氨燃料在发动机中燃烧不稳定的问题,通过开展氨–柴油双燃料发动机燃烧过程的光学诊断研究,以获得柴油引燃氨的燃烧及火焰发展特性,研究了不同氨替代率及不同柴油喷射时刻对氨–柴油双燃料缸内燃烧和火焰发展特性的影响。结果表明：随着氨替代率的增加,缸压和放热率峰值先增加后减小,燃烧相位不断后移,滞燃期和燃烧持续期延长,70%和80%氨替代率下放热率峰值相比40%氨替代率降低了41.7%和58.8%。随氨替代率增加,火焰光强和火焰面积均逐渐减小,氨替代率为80%时,火焰向燃烧室中心的扩散燃烧速度变慢,火焰面积峰值为612.5 mm²,占燃烧室总面积约19%,燃烧表现较差;随着柴油喷射时刻的不断推迟,缸压和放热率峰值先增加后减小,燃烧相位不断后移,燃烧持续期先减小后增加,火焰光强和火焰面积均先增加后减小。-25°喷射时刻缸压和放热率峰值分别为4.28 MPa和115.4 J/（°）,相比其他时刻具有较好的放热性能。与-20°喷射时刻相比火焰光强和火焰面积分别增加了15%和42.5%,此时燃烧室中心未燃区域最小,对氨有较好的引燃效果。     

甲醇预混合气F-T柴油引燃模式下发动机燃烧特性研究

为了提高甲醇在能量转化效率方面的优势,在一台CY25TQ型柴油机上,利用F-T柴油和煤基甲醇研究了甲醇占能比、F-T柴油喷油时刻对甲醇预混合气F-T柴油引燃燃烧方式下发动机燃烧特性的影响。试验结果表明:甲醇占能比增加,此燃烧方式滞燃期、持续期波动较大。在平均有效压力为0.45MPa下,缸内最大压力、瞬时放热率峰值、最大压力升率明显降低,最大降幅分别为26.40%、59.25%和58.00%。高负荷时,不同甲醇占能比下F-T柴油喷射时刻调整,能促进压升率进一步降低。与原柴油机扩散燃烧方式相比,虽然采用引燃喷射的双燃料发动机在中低负荷时的有效热效率有所降低,但是随着负荷增加,高负荷下的热效率比原柴油机高,最大提高了17.14%。     

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。     

直喷汽油对反应活性控制压燃负荷拓展影响的数值模拟研究

基于三维计算流体力学软件CONVERGE,通过数值模拟的方法,基于不同的燃油总量、直喷汽油量、预混汽油油量和汽柴油喷射时刻等参数,展开了缸内直喷汽油对反应活性控制压燃(RCCI)燃烧模式高负荷拓展影响的研究。结果表明:进气压力及柴油喷射时刻会影响缸内浓度分层进而影响燃烧过程,而汽油喷射时刻影响不明显;在汽油采用进气道结合缸内直喷的混合喷射策略下,增加缸内直喷汽油量可以进一步增强缸内的混合气浓度分层,延长燃烧持续期,降低缸内的最高燃烧压力和压力升高率,实现更低的燃烧温度。仿真计算结果显示:若保证碳烟和NOx排放在限值内且油耗有所降低,可将平均有效指示压力(IMEP)拓展至1.6MPa;将IMEP拓展到1.7MPa后,增加汽油的预混比例并不能提高IMEP,但对排放略有改善,相应的压力升高率和燃烧压力提高。     

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。