二甲醚发动机HCCI燃烧的试验和数值模拟研究

结合详细化学反应动力学机理,采用单区模型计算了二甲醚发动机均质充量压缩燃烧过程中缸内压力、缸内温度、重要中间产物浓度、NOx 浓度等的变化,并将计算结果与试验结果进行了比较。结果表明,二甲醚均质充量压缩燃烧具有两阶段着火特性,着火时间、NOx 排放和缸内压力变化趋势预测准确。     

EGR对二甲醚HCCI着火过程的数值模拟研究

从化学反应动力学的角度,应用单区燃烧模型和已建立的二甲醚（DME）化学反应机理,对DME均质充量压燃（HCCI）的着火过程进行了数值模拟,分析了不同EGR率对其着火过程的影响,并从热效应及化学效应两方面分析了内部热EGR对燃料着火过程的影响。研究结果表明：内部热EGR对DME的HCCI着火过程有着显著影响。     

预燃室催化燃烧对HCCI发动机燃烧特性的影响

对预燃室壁涂有催化剂的均质压燃(HCCI)发动机的燃烧过程进行了数值计算,分析了催化燃烧对HCCI发动机燃烧特性的影响;同时分析了预燃室内催化剂种类、过量空气系数、进气温度、进气速度、缸径以及预燃室壁温对HCCI发动机燃烧特性的影响。结果表明,预燃室存在催化燃烧时对HCCI发动机的着火时刻有很大的影响:随着过量空气系数及预燃室进气速度的增加,HCCI发动机的着火时刻提前;催化剂种类、预燃室缸径以及预燃室壁温对HCCI发动机着火时刻影响不显著,但对缸内燃烧温度影响显著。     

二甲醚均质压燃模式非常规排放的试验研究

在ZS1100柴油机上进行了二甲醚均质压燃、二甲醚—柴油混合燃料燃烧模式下的非常规排放试验研究。试验结果表明,二甲醚均质压燃非常规排放物主要是甲醛,其排放量主要与负荷变化相关,柴油机能够稳定运行的最大扭矩是20 N.m,混合燃料燃烧时,负荷可达到45 N.m。     

二甲醚均质压燃燃烧的详细化学动力学模拟研究

采用由美国Lawrence Livermore国家实验室提出的二甲醚(DME)详细化学动力学反应机理及其开发的HCT化学动力学程序，对均质充量压缩着火(HCCI)发动机燃用DME的着火和燃烧过程进行了分析。为考虑壁面传热的影响，在HCT程序中增加了壁面传热子模型。采用该方法研究了燃空当量比、进气充量加热、发动机转速和EGR等因素对HCCI着火和燃烧的影响。结果表明，DME的HCCI燃烧过程有明显的低温反应放热和高温反应放热两阶段；增大燃空当量比、提高进气充量温度使着火提前；提高发动机转速和采用冷却EGR使着火滞后。     

CO2和H2对HCCI二甲醚发动机燃烧影响的数值模拟

模拟了燃用DME的HCC I发动机的燃烧过程,研究了进气添加剂CO2和H2对其着火时刻和指示功的影响。结果表明:CO2能延迟着火时刻,降低缸内压力和温度,从而扩大HCC I燃烧运行范围;H2也可推迟着火,并能有效提高发动机的指示功。为了既控制着火始点,又提高发动机指示功,提出进气中同时添加适量CO2和H2,并就此进行了计算。     

气缸壁涂加催化剂对均质压燃发动机燃烧特性的影响

通过修改CHEMKIN软件包中的SENKIN模块,对气缸壁涂有催化剂的HCCI燃烧过程进行了数值计算。对比分析了缸内催化燃烧对HCCI发动机的着火时刻及NOx排放的影响;讨论了当气缸壁涂有催化剂时进气温度、进气压力、压缩比、过量空气系数及催化剂种类等多种工况参数对HCCI燃烧特性的影响。     

Numerical analysis of the effect of inhomogeneous pre-mixture on the pressure rise rate in an HCCI engine using multi-zone chemical kinetics

The HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) engine is an internal combustion engine under development, which is capable of providing both high diesel-like efficiency and very low NO_x and particulate emissions. However, several technical issues must be resolved before the HCCI engine is ready for widespread application. One issue is that its operating range is limited by an excessive pressure rise rate which is caused by the excessive heat release from its selfaccelerated combustion reaction and the resulting engine knock in high-load conditions. The purpose of this study was to evaluate the potential of thermal and fuel stratification for reducing the pressure rise rate in HCCI engines. The NO_x and CO concentrations in the exhaust gas were also evaluated to confirm combustion completeness and NO_x emissions. The computational work was conducted using a multi-zone code with detailed chemical kinetics, including the effects of thermal and fuel stratification on the onset of ignition and the rate of combustion. The engine was fueled with dimethyl ether (DME) which has a unique two-stage heat release, and methane which has a one-stage heat release.     

醇醚燃料发动机非常规污染物排放特性研究

在1台经过改装的单缸柴油机上,采用气相色谱和FT-IR红外光谱检测技术,开展了进气道喷射DME和甲醇双燃料HCCI燃烧方式,以及进气道喷射DME、缸内直喷甲醇双燃料复合燃烧方式下,非常规污染物排放特性的试验研究。结果表明,在不同的燃烧方式下均检测到甲醛、乙醛、甲酸、甲酸甲酯等非常规排放物,且甲醛是非常规排放物中的主要成分。DME—甲醇HCCI燃烧方式下,在同一负荷下随着甲醇喷射量的增加,甲醛、乙醛、甲酸甲酯的排放都有所增加;在同一甲醇浓度下随着发动机负荷的增加,甲醛的排放增加,乙醛的排放减少,甲酸甲酯的排放先减少后增加。复合式燃烧方式下,甲醛的排放随着有效功率的增大呈先降低后升高的趋势;甲酸甲酯和甲酸的排放均随着有效功率的增加而减少,随着DME喷射比例的增加而增加。DME—甲醇HCCI燃烧方式下,甲醇排放量增加十分明显。     

基于2阶段喷射的缸内直喷汽油机HCCI燃烧的研究

在缸内直喷汽油机（GDI）上采用2阶段燃油喷射技术来控制缸内混合气形成和燃烧，在GDI发动机上实现了均质混合气压燃（HCCI）燃烧方式，研究了缸内2阶段汽油喷射对HCCI燃烧特性的影响。结果表明，压缩行程中的第2次喷油时间可以有效地控制燃烧始点，二次喷油持续期可以控制燃烧速率、燃烧相位和拓宽发动机负荷。     

二甲醚发动机的燃烧与排放研究

在一台2135直喷柴油机上，对燃油供给系统进行了适当的改造，测试了燃用二甲醚发动机的燃料喷射时刻、气缸压力和有害排放，计算分析了放热规律及滞燃期变化规律。研究结果表明，在供油提前角相同的情况下，二甲醚的喷射延迟比柴油长而滞燃期比柴油短，着火时刻落后于柴油；二甲醚的最大放热速率小，而燃烧持续期短；二甲醚发动机接近无烟排放，N0x排放浓度显著低于柴油机。     

二甲醚均质压燃燃烧特性试验研究

介绍了在一台单缸柴油机上进行的二甲醚(DME)均质压燃燃烧过程的试验研究,DME的燃烧保持了低温反应与高温反应两个阶段的特征,着火时刻较早。试验结果表明,混合气燃空当量比的变化对低温反应开始时刻影响不大,但对高温反应开始时刻有较大影响,随着燃空当量比的增大,高温反应开始时刻逐步提前,当燃空当量比为0.21时,出现轻微爆震现象。随着发动机转速的增加,低温反应开始时刻提前,高温反应阶段的放热率略有增大。进气温度和冷却水温度升高,低温反应和高温反应时刻都有较大的提前。在进气温度(T)大于300 K后,缸内最大压力出现在上止点前,进气温度是控制着火时刻的重要参数。     

乙醇SI/HCCI燃烧模式平稳转换控制策略研究

如何将均质压燃(HCCI)应用到实际发动机上是当前HCCI研究的热点之一,采用HCCI/SI复合燃烧模式是潜力巨大的出路之一。当发动机采用这种复合燃烧模式时,HCCI只能在一定范围内运行的特点决定了发动机在HCCI和SI两种燃烧模式边界工况发生负荷变化时,需要进行两种燃烧模式的相互转换。实现两种燃烧模式的平稳转换需要对转换过程中影响转换平顺性的因素进行分析,综合控制。通过分析试验所得数据,本研究基于主节气门运动规律、点火提前角和供油规律3个主要影响因素提出了主动、协同的控制策略,实现了两种燃烧模式的平稳转换。     

Influence of injection parameters on the transition from PCCI combustion to diffusion combustion in a small-bore HSDI diesel engine

In this paper, the influence of injection parameters on the transition from Premixed Charge Combustion Ignition (PCCI) combustion to conventional diesel combustion was investigated in an optically accessible High-Speed Direct-Injection (HSDI) diesel engine using multiple injection strategies. The heat release characteristics were analyzed using incylinder pressure for different operating conditions. The whole cycle combustion process was visualized with a high-speed video camera by simultaneously capturing the natural flame luminosity from both the bottom of the optical piston and the side window, showing the three dimensional combustion structure within the combustion chamber. Eight operating conditions were selected to address the influences of injection pressure, injection timing, and fuel quantity of the first injection on the development of second injection combustion. For some cases with early first injection timing and a small fuel quantity, no liquid fuel is found when luminous flame points appear, which shows that premixed combustion occurs for these cases. However, with the increase of first injection fuel quantity and retardation of the first injection timing, the combustion mode transitions from PCCI combustion to diffusion flame combustion, with liquid fuel being injected into the hot flame. The observed combustion phenomena are mainly determined by the ambient temperature and pressure at the start of the second injection event. The start-of-injection ambient conditions are greatly influenced by the first injection timing, fuel quantity, and injection pressure. Small fuel quantity and early injection timing of the first injection event and high injection pressure are preferable for low sooting combustion.     

过氧化物添加剂改善HCCI发动机低负荷失火的研究

为了改善汽油HCCI发动机在低负荷的失火,通过在90号汽油中添加不同种类和不同质量的过氧化物,在一台改造过的4缸柴油机的第4缸进行HCCI燃烧试验,研究了添加剂对HCCI燃烧过程的影响。试验结果表明,在发动机转速为1 400 r/min时,使用90号汽油的HCCI发动机只能在高负荷下运行;加入过氧化物添加剂后,着火时刻提前、缸压和放热率峰值升高,燃烧向低负荷区域大幅度拓展;添加相同质量分数的不同种类过氧化物,二叔丁基过氧化物(DTBP)作用最明显。相同当量比的稳态工况下,随二叔丁基过氧化物质量分数增加,着火和燃烧放热提前、燃烧持续期缩短,失火得到有效改善,负荷范围得到拓宽。但过高的添加剂质量分数会使发动机高负荷爆震可能性增加,发动机转速为1 400 r/min下,二叔丁基过氧化物的质量分数2%左右为最佳值。     

点燃式CNG发动机燃烧过程研究

利用混合气形成和燃烧三维模型建立了针对CA6SE1—21N增压点燃式CNG发动机的数值模拟研究平台,并对模型进行了试验验证,同时研究了该发动机混合气形成和燃烧的缸内微观变化历程。验证结果表明,CNG发动机混合气形成及燃烧过程的数值模拟结果和试验结果吻合较好,所选模型适合对CNG发动机进行模拟分析。模拟结果表明,缸内混合气形成可分为大幅度掺混和弱流动混合两个阶段;采用螺旋进气道与平缸盖时,在压缩后期逐渐形成强涡流、低滚流的刚性涡;点火时刻缸内混合气呈上稀下浓的分布,不利于提高点火稳定性和火焰传播速度。     

二甲醚均质充量压燃发动机燃烧特性试验研究

通过改造一台压缩比为16．5的2-135柴油机,在其上实现DME的HCCI燃烧方式。试验结果表明,DME HCCI发动机不但可以实现无烟燃烧,而且可以有效控制发动机NOx排放,使其接近0排放。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。     

拓宽HCCI发动机运行区域的方法探讨

均质充量压缩燃烧(HCCI)技术由于其较高的燃油经济性和极低的NOx及PM排放越来越受到重视,但是由于HCCI模式发动机运行区域狭小,限制了其在实际中的应用。对限制HCCI发动机运行区域的因素进行了分析,并研究讨论了拓宽HCCI模式运行区域的方法,包括使用进气增压、提高压缩比、使用混合燃料和废气再循环(EGR)等,能在一定程度上拓宽HCCI发动机在高负荷或低负荷时的运行区域,使HCCI燃烧技术能在发动机高负荷和低负荷的工况下适用。     

Effects of the throttle opening ratio and the injection timing of CNG on the combustion characteristics of a DI engine

We investigated the effects of the fuel injection timing — both for early and late injection — in conjunction with the throttle opening ratio on the fuel-air mixing characteristics, engine power, combustion stability and emission characteristics of a DI CNG spark engine and control system that had been modified and designed according to the author’s original idea. We verified that the combustion characteristics were affected by the fuel injection timing and that the engine conditions were affected by the throttle opening ratios and the rpm. The combustion characteristics were greatly improved for a complete open throttle ratio with an early injection timing and for a partial throttle ratio with a late injection timing. The combustion duration was governed by the duration of flame propagation in late injection timing scenarios and by the duration of early flame development in cases of early injection timing. As the result, the combustion duration is shortened, the lean limit is improved, the air-fuel mixing conditions are controlled, and the emissions are reduced through control of the fuel injection timing and vary according to ratio of the throttle opening.     

均质压燃发动机研究开发新进展

介绍了HCCI燃烧节能和降排放的潜力及其产业化关键技术问题;阐述了HCCI发动机稳态工况下的着火燃烧控制方法、瞬态运行控制方法和数值模拟等方面的最新研究进展。可以看出,目前国际上HCCI产业化研究主要集中在汽油机和柴油机HCCI燃烧控制方面,包括燃烧诊断、燃烧模式切换和瞬态工况过渡。缸内直喷多段喷射是HCCI燃烧在车用发动机上应用更有前途和更具可行性的方式。HCCI发动机产业化进程将取决于快速可变配气系统和高质量燃油喷射系统等技术的进一步成熟和产业化成本。