柴油多组分替代混合物化学动力学模型

采用正庚烷/甲苯/环己烷作为柴油多组分替代燃料,构建了一个包含103种组分和200个反应的化学动力学简化机理,简化方法包括直接关系图法、敏感性分析法和反应速率分析法.在较宽边界条件下,对燃烧滞燃期及重要组分浓度进行验证,计算结果与激波管、射流搅拌反应器等试验数据吻合较好.结果表明:除传统C2+C4及C3+C3生成苯环(A1)的反应,环己烷通过直接脱氢生成A1的反应是另一重要路径.采用80%正庚烷+10%甲苯+10%环己烷(质量分数)的多组分替代混合物,可以较好模拟柴油燃烧反应动力学过程.     

一个新的适用于HCCI燃烧及排放研究的PRF燃料化学反应简化机理

提出了一个适用于HCCI燃烧过程研究并能考虑重要排放物的基础燃料简化动力学机理,包含42种物质,62个反应.简化机理与激波管试验以及详细机理在理论当量比,温度范围667～1 250 K,不同基础燃料配比(PRF100、PRF90、PRF80、PRF60、PRF0)下对滞燃期的预测较为吻合.与快速压缩机试验对比表明,简化机理对PRF90燃料在不同当量比及不同初始温度下对滞燃期的预测较为准确.与HCCI发动机试验对比表明,简化机理在不同基础燃料配比下(PRF90、PRF75、PRF50、PRF25)对滞燃期的预测较为准确.敏感性分析表明,针对PRF75燃料HCCI燃烧情况,更多正庚烷反应影响低温着火进程,更多异辛烷反应影响高温着火进程,异辛烷的烯烃裂解反应对着火速率的影响很大.     

正庚烷HCCI燃烧过程的数值模拟及试验研究

结合详细化学动力学机理，运用最新的CHEMKIN—Ⅳ化学动力学软件包中的IC enginc模块模拟了正庚烷的HCCI燃烧过程。并在一台高速四缸柴油机上进行了单缸正庚烷HCCI燃烧试验。分别从理论和试验上研究了正庚烷的HCCI燃烧过程以及各种参数变化对燃烧过程的影响，研究表明：正庚炕燃烧过程由低温反应和高温反应两阶段组成，NC7KET裂解生成OH是低温阶段最重要的反应，高温阶段着火是由H2O2裂解所触发的，低温阶段着火对高温阶段着火起着关键作用；各种参数的变化会导致燃烧过程的显著变化。     

正庚烷均质压燃燃烧简化动力学模型

在详细化学反应动力学研究的基础上,通过对正庚烷均质压燃燃烧各阶段反应途径分析和敏感性分析,构建了一个新的包括35种物质和41个基元反应的正庚烷均质压燃简化动力学模型．在发动机模拟方面,对此模型进行有效性分析,结果表明,在一定的边界条件范围内,简化动力学模型在着火时刻、缸内温度和压力方面都与详细动力学模型吻合较好,简化动力学模型适用于模拟HCCI部分燃烧边界条件．     

高强化汽油机条件下乙醇汽油辛烷值的调合效应

采用增压、小型化等会加大汽油机爆震倾向,燃油调合应该满足更高抗爆性的要求．调合燃油中的芳香烃、醇类等组分可有效提高汽油辛烷值,不同组分之间的相互作用对于燃料抗爆性有重要影响．研究了TRF燃油基础组分(正庚烷、异辛烷和甲苯)及乙醇添加组分之间的调合辛烷值变化规律,基于燃烧动力学软件中的均质反应器,通过计算其滞燃期研究燃料辛烷值、灵敏度对温度、压力的敏感性,进一步探究燃料组分组成的差异对化学动力学驱动的自燃着火特性的影响．结果表明,甲苯与异辛烷或正庚烷掺混时,降低了混合物的反应活性．甲苯和乙醇分别与PRF燃油(正庚烷和异辛烷)混合辛烷值具有协同效应,但是甲苯与乙醇混合具有拮抗效应,异辛烷一定程度上降低了这种拮抗效应．     

柴油在甲醇/空气高温热氛围中的着火和燃烧特性

在定容燃烧弹上进行了柴油分别在空气和在甲醇/空气预混均质混合气中着火燃烧的实验研究.结果表明,与空气热氛围相比,甲醇混合气热氛围延长了柴油的滞燃期和加长了火焰浮起高度.采用正庚烷-甲醇的详细化学反应机理,利用数值模拟的方法计算了零维模型中正庚烷及正庚烷加甲醇的燃烧反应过程和中间产物历程.其结果表明,甲醇的加入使得正庚烷的高低温放热反应开始时刻后移,滞燃期延长,低温放热反应峰值明显下降,且无明显的负温度系数区,高温反应放热峰值高于其在空气氛围中,归其原因在于甲醇大量消耗着火的OH自由基,并将其转化为低温氧化中不活跃的H2O2,使得系统着火前反应活性减弱.实验和计算结果均表现出甲醇具有抑制柴油及其参比燃料着火的作用.     

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.     

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。     

柴油/DMF双燃料简化化学动力学模型的构建

首先基于2,5-二甲基呋喃(2,5-dimethylfuran,DMF)详细机理,运用峰值浓度分析法、反应路径分析法、敏感性分析法和反应速率分析法进行机理简化,构建了包含95种组分和352个反应的DMF简化动力学机理,并对激波管滞燃期和重要燃烧产物浓度进行验证。在此基础上,采用"解耦"思想耦合了柴油多组分替代物(正庚烷/甲苯/正己烯)简化机理,最终构建了一个包含123种组分和394个反应的柴油/DMF双燃料简化机理。研究结果表明:在较宽的当量比(0.5~2.0)和初始压力(0.1~8.0MPa)边界条件下,双燃料简化机理对滞燃期、射流搅拌反应器中物种摩尔分数、层流火焰速度等基础燃烧数据及零维单区内燃机模型组分生成规律吻合性较好。     

改装直喷式柴油机中生物柴油喷雾燃烧过程试验研究

利用可视化装置,分析比较了直喷式柴油机燃用生物柴油与常规柴油的喷雾燃烧过程.研究结果表明:生物柴油的喷油时刻较早,着火时刻提前,着火滞燃期缩短,在早期预混燃烧阶段的燃烧速度大于柴油,而在扩散燃烧阶段的燃烧速度比柴油低.通过分析燃料性质、转速和喷油压力这3种因素对生物柴油燃料喷雾燃烧过程的影响,从而得出影响规律为:混合燃料喷油始点、着火时刻均有所提前,滞燃期变短,B5混合燃料的最高燃烧压力最高且出现稍早;生物柴油在高转速工况时的燃烧速度大,且最高燃烧压力也略高;随着喷油压力的提高,滞燃期缩短,燃烧持续期相应缩短,最高燃烧压力升高.     

预混合率对正庚烷/柴油双燃料复合 HCCI燃烧的影响

在一台单缸柴油机上试验研究了预混合率对正庚烷/柴油复合HCCI(Homogeneous Charge CompressionIgnition)燃烧的影响.结果表明:复合HCCI燃烧呈现三阶段放热模式,并且随着预混合率的增大,复合HCCI燃烧第二阶段高温反应着火提前,燃烧持续期缩短,第三阶段扩散燃烧滞燃期缩短,同时缸内最高压力和温度均升高.复合HCCI的Nox排放与纯柴油直喷相比有显著降低,且随预混合率的增大先降低后升高;碳烟排放在预混合率较小时与原机基本持平.同时复合HCCI的CO排放随预混合率增大先增后减,而HC则与预混合率成一定的正比关系.此外,复合HCCI燃烧能够明显改善原机中低负荷下的热效率.     

小球藻生物柴油详细燃烧反应动力学模型的构建

采用气相色谱质谱联用仪测定了小球藻生物柴油的组分和比例,分析了小球藻生物柴油的理化特性,在此基础上,确定了小球藻生物柴油的表征物质。应用“叠加法”构建了小球藻生物柴油的详细燃烧反应动力学模型,利用激波管试验和发动机台架试验数据对模型加以验证。研究结果表明,选取物质的量比为1∶1的癸酸甲酯和正庚烷作为小球藻生物柴油的表征物质,所构建的详细燃烧反应动力学模型包含3300种物质,10851个基元反应。温度高于1000 K时,着火延迟期的预测值与实验值的最大误差小于8.1%,温度低于1000 K时,误差介于8.1%~15.3%。所构建的模型能较好地预测内燃机缸内压力,最大相对误差为6.6%。     

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.     

正庚烷甲苯混合物燃烧简化机理分析

提出了一个新的包括多环芳香烃(PAH)生成的正庚烷/甲苯混合物燃烧化学动力学简化机理.该机理包括64种物质,120个反应,与激波管内滞燃期实验结果吻合较好.在不同进气氧体积分数下,使用该机理对柴油机缸内燃烧过程进行了计算,其结果与缸内的实验结果吻合良好.通过机理的敏感性分析发现,PAH的重要前驱物乙炔主要是由甲苯反应路径中的C6H5及C6H4O2生成,说明在正庚烷中加入甲苯会对模拟柴油的燃烧特别是碳烟的生成有很大的影响;过氧化氢自由基HO2和羟自由基OH在甲苯、正庚烷的分解反应及小分子烃的裂解和氧化反应中都起着非常重要的作用.     

丙醇/正庚烷混合燃料的着火特性

在一台快速压缩机上研究了不同比例的丙醇/正庚烷二元混合燃料在当量比为1.0、压缩上止点压力2,MPa、压缩温度为650~850,K时的着火延迟.利用混合燃料的详细动力学机理开展了丙醇/正庚烷着火特性的化学反应动力学分析.研究结果表明,在本文实验条件下和温度范围内,丙醇/正庚烷的着火延迟在不同的温度范围呈现不同的变化规律.在丙醇比例较低时,正丙醇/正庚烷混合燃料的着火延迟高于异丙醇/正庚烷混合燃料;丙醇比例较高时,二者的着火延迟非常接近.化学动力学分析表明,由于正庚烷低温反应根池的建立,丙醇在着火过程中也呈现出两阶段燃烧现象.路径分析表明,上止点温度的提高可使部分羟丙烷基发生裂解并增强系统活性.进一步的敏感性分析表明,对正丙醇/正庚烷混合燃料,正庚烷的脱氢反应和链分支反应对促进着火始终有重要影响,随着正丙醇比例的增加,正丙醇对混合燃料着火的抑制与促进都有较大的影响.异丙醇/正庚烷混合燃料的着火在异丙醇比例较大或上止点温度较高时对异丙醇的氧化更加敏感,抑制着火的反应始终为小分子基团的反应.     

预混合比例实时优化控制正庚烷复合HCCI燃烧

在一台单缸柴油机上试验研究了预混合比例对正庚烷复合HCCI燃烧的影响,并在各个负荷下实现预混合比例的优化控制.结果表明:复合HCCI燃烧呈现三阶段放热模式,并且随着预混合比例的增大,复合HCCI燃烧第2阶段高温反应着火提前,燃烧持续期缩短,第3阶段扩散燃烧滞燃期缩短,同时缸内最高压力和最大压力升高率均升高.复合HCCI的NOx排放与直喷相比显著降低,且随预混合比例的增大先降低后升高.同时,复合HCCI的CO排放随预混合比例增大先增大后减小,而HC则随预混合比例增大而增大.通过预混合比例优化控制,复合HC-CI燃烧能够显著拓展负荷范围,并且保持较高的热效率.     

燃料理化特性对柴油机低温燃烧过程及排放特性的影响

在一台单缸柴油机上,通过柴油掺混20%的正庚烷、正庚烷与异辛烷混合物以及异辛烷与40%正庚烷(体积分数),研究燃料组分、沸点和十六烷值等理化特性对柴油机传统燃烧和低温燃烧影响机理.结果表明,不同十六烷值燃料在高比例EGR下对滞燃期影响更显著;随掺混燃料十六烷值降低,碳烟排放降低;在20%掺混比下混合燃料沸点、黏度等物理特性和燃料组分等化学特性改变对燃烧和碳烟排放影响较小.与20%正庚烷掺混相比,低沸点、低黏度燃料在更高掺混比(40%)下对碳烟排放的降低作用变得明显.大比例EGR低温燃烧下,THC排放明显升高,其中甲烷占总碳氢比例达60%;NO2对整体NOx排放影响很小.在20%掺混比下,燃料理化特性的改变对THC、不同成分HC、CO和NOx排放影响很小;在40%正庚烷掺混比例下,芳香烃排放降低,NOx及NO2排放较柴油升高.     

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/甲醇二元燃料发动机缸内燃烧数值模拟

为研究柴油/甲醇二元燃料的缸内燃烧过程,基于对二元燃料燃烧特征的分析,发展了湍流耦合反应动力学的柴油/甲醇二元燃料缸内燃烧机理和燃烧模型.基于一个已有的甲醇/正庚烷二元燃料燃烧机理,进一步提高了机理的预测精度,燃烧模型通过计算混合时间尺度和化学反应时间尺度来衡量燃烧的受控因素,其中化学反应时间尺度以熵增率衡量.通过发动机试验对模型进行了标定和验证,结果表明:该燃烧机理和燃烧模型能够很好地对纯柴油和柴油/甲醇二元燃料燃烧过程进行预测,包括随着甲醇比例的增加,滞燃期延长,甲醇火焰传播预混燃烧放热峰值逐渐明显.采用直接求解化学反应而不考虑湍流的燃烧模型,对燃烧进程的预测结果则随着甲醇量的增加而逐渐高于试验值.     

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。