聚甲氧基二甲醚-2燃烧动力学模型及试验研究

采用试验研究与动力学建模相结合方法,对聚甲氧基二甲醚-2(polyoxymethylene dimethyl ethers-2,PODE_(2))的中低温燃烧特性进行了研究。基于二甲氧基甲烷(dimethoxymethane,DMM)详细反应机理,遵循基于反应类的速率准则构建了PODE_(2)详细化学反应动力学机理,并与文献试验数据进行了验证;在快速压缩机试验平台测量了PODE_(2)在温度范围为550~900 K,当量比为0.5、1.0、2.0时着火延迟时间,结合所构建的详细反应机理,对PODE_(2)中低温条件下自着火过程控制因素进行了分析。结果表明,所构建的PODE_(2)反应机理可以很好地再现试验测量的着火延迟时间,对文献中现有的试验数据均能给出合理的预测。PODE_(2)自着火过程呈现明显的两阶段着火现象,没有表现出负温度系数(negative temperature coefficient,NTC)行为;PODE_(2)第一阶段着火延迟时间在低温段随温度呈线性变化,在720~820 K的中温范围内呈“平台”状,几乎不随温度变化。PODE_(2)低温反应活性来自于3个替代性通道,由氧加成反应开启的典型低温链分支反应序列作用被抑制。

柴油引燃掺氢-甲烷混合燃料发动机的燃烧特性

对引燃柴油能量比例为5%的甲烷-氢气双燃料燃烧中不同初始进气温度、氢能量比例以及喷射时刻对燃烧过程的影响进行研究.在接近上止点(TDC)时喷射甲烷-氢气-空气的混合气,并由先导柴油引燃.在初始进气温度为25℃和50℃下,研究了氢能量比例和喷气时刻对双燃料发动机着火延迟期、燃烧持续期和各阶段燃烧放热率的影响.通过高速摄像机记录燃烧过程的自然光度图像,计算每个自然光度图像对应的曲轴转角,并结合放热率(HRR)和放热率二阶导数(SDHRR)曲线识别出燃烧的阶段.结果表明:进气温度为25℃时着火延迟期随氢能量比例的升高先减小,在氢能量比例达到60%后有所增加,燃烧持续期随氢能量比例的增加,下降幅度为41%.进气温度为50℃时着火延迟期进一步下降,燃烧持续期显著降低.随着温度升高,燃烧放热阶段第一阶段、第二阶段占比逐渐增加,第三阶段占比逐渐减少,使得燃烧放热过程提前.

甲醇燃料在船舶内燃机动力中的运用

随着能源危机的日益加深和环保意识的提高,寻找替代传统燃料的可持续能源成为全球关注的焦点。甲醇燃料作为一种清洁、可再生的能源,具有燃烧效率高、排放少等优点,被广泛应用于船舶内燃机动力系统中。本文通过对甲醇燃料的特点和在船舶内燃机中的应用进行研究,分析了甲醇燃料在船舶行业的前景和挑战。

引燃柴油量对双燃料发动机循环变动的影响

为了降低重型高压共轨柴油机燃用LNG-柴油的燃烧循环变动,优化引燃柴油量控制,通过双燃料发动机试验台架,研究了在最大转矩转速1600r/min,功率输出为73kW工况下,随引燃柴油喷油量的增加,峰值压力、峰值压力升高率、平均指示压力循环变动的变化趋势。研究结果表明,随引燃柴油量的增加,双燃料发动机的峰值压力、峰值压力升高率和平均指示压力的循环变动趋势相同,它们的均值均增大,标准差减小,循环分布集中,循环变动系数降低。在不导致爆震燃烧的前提下,适当增大引燃柴油量,能够改善双燃料发动机的燃烧稳定性。

基于喷射策略的氨柴双燃料发动机燃烧和排放试验研究

在一台重型柴油发动机试验平台的基础上改造氨柴双燃料发动机,加装了一套电控喷氨系统,采用氨气进气道喷射、柴油缸内直喷方式,通过柴油喷射策略的变化,在发动机1 200 r/min的中高负荷下50%氨能占比工况,开展了氨柴双燃料的燃烧和排放特性优化研究。试验结果表明:氨柴双燃料燃烧时,由于氨燃料燃烧速度慢、起燃温度高等特性,柴油原机的上止点附近单次喷射策略,使得氨燃烧与柴油燃烧不同步,燃烧放热率呈现“双峰”曲线,氨燃烧效率较低。采用柴油双喷策略,通过提前柴油预喷时刻,可推迟柴油起燃时间,活化活塞凹坑外的氨燃料,促使柴油和氨燃烧趋于同步,将“双峰”放热曲线转变成“单峰”放热曲线,从而加快燃烧速度,缩短燃烧持续期,减少未燃氨排放,提升氨燃烧效率。但过度提前预喷时刻会造成柴油撞壁,对发动机指示热效率不利。

稀燃工况下天然气发动机燃烧不稳定性分析

为了研究稀燃工况下天然气发动机燃烧不稳定性的变化规律,在25%负荷、转速为1000 r/min工况下针对6组不同过量空气系数λ进行试验,采用统计分析方法研究了最大爆压、最大爆压对应的曲轴转角、指示平均有效压力(IMEP)的频率分布规律,并分析了各燃烧特征参数之间的关联性。结果表明:随着λ增大,天然气发动机燃烧不稳定性增强;最大爆压、最大爆压对应曲轴转角的频率分布范围逐渐增大,IMEP频率分布范围先减小后增大,循环间差异性均增加;各燃烧特征参数的关系图中,点的分布范围均增大,且存在线性关系,当混合气浓度过稀时线性关系减弱。稀燃工况下天然气发动机产生燃烧不稳定分析,为天然气发动机稀燃稳定性优化和控制提供了理论依据。

基于活塞式反应器的氨在线制氢研究

提出一种基于活塞式反应器原理的氨在线制氢方法并探究了其可行性.通过结合均质充量压燃反应器零维仿真模型并优化传热模型和氨热解机理,研究了氩摩尔分数、进气条件、压缩比和氧摩尔分数等参数对氨转化率和产氢率的影响,分析了关键参数对氨分解制氢的反应动力学影响机制.结果表明:初始温度和氧摩尔分数对氨分解制氢的影响最为显著.当初始温度从373 K提高到573 K时,氨转化率将提升80%,这主要是由于高温下关键基元反应速率的提升;当氧摩尔分数为0.0248时,氨在线制氢量达到最高,这是由于关键基元反应NH+H=H_(2)+N反应比的增加.此外,适当提高氩摩尔分数、降低转速、提高初始压力和压缩比对氨分解制氢也具有促进作用.通过适当设计和优化热化学边界条件,活塞式反应器有可能成为一种有效的氨在线制氢方法.

稀燃条件下甲烷-空气预混射流的着火特性

基于可控热氛围燃烧试验系统,探究射流当量比、射流速率和协流速率对甲烷-空气预混射流着火特性的影响。根据试验规律对天然气发动机稀薄燃烧的控制策略提出优化建议,以减少失火现象的发生。结果表明:随着协流温度的升高,甲烷-空气预混射流的稀燃极限降低而富燃极限升高,符合大多数碳氢燃料预混合气的着火界限分布规律。不同的射流速率和协流速率下均存在临界当量比,当低于临界当量比时,着火温度随射流当量比的升高而显著降低,当高于临界当量比时,着火温度趋于稳定。在较低的射流当量比工况(0.20~0.62)下,提高射流速率可以降低着火温度从而优化着火性能。

内燃兰金循环氨氢发动机热力学特征参数的模拟与分析

为实现氨氢燃料在内燃机上的应用,基于Cantera平台建立了氨氢燃料内燃兰金循环模型,进行了不同氨氢掺混比例、过量空气系数和喷水量等条件下内燃兰金循环氨氢燃料发动机燃烧过程数值模拟,从热力学循环效率和典型污染物排放两方面分析和评价不同边界条件对燃烧特性的影响。结果表明:过量空气系数和缸内喷水量增加分别提升热力学循环效率2.66%和7.00%,喷水的作用效果更显著;氨氢燃料燃烧终了排放污染物NOx主要以NO为主;缸内喷水有利于氨氢发动机氮氧化物排放量降低,应用喷水技术后,燃烧产物中NO和NO2的排放体积分数降低幅度达到37%。

聚甲氧基二甲醚和汽油双燃料火花辅助压燃燃烧及排放试验研究

试验平台基于汽油缸内直喷(gasoline direct injection,GDI)发动机改造,缸内直喷聚甲氧基二甲醚(polyoxymethylene dimethyl ether,PODE),进气道喷射汽油,并将压缩比从10提升至15以利于压燃,以点火和直喷策略作为控制参数,获取双燃料火花辅助压燃(dualfuel spark-assisted compression ignition,DF-SACI)发动机的运行特征。试验结果表明:DFSACI呈现多阶段放热,直喷正时提前可提高混合气均匀性,减小不同燃烧阶段的界限,放热率明显提高;直喷比例可以更为有效地调节CA50和等容燃烧的比例,对热效率影响明显;同时放热率受点火正时提前的影响最小。试验中有效热效率最高可达37.5%。排放方面,DFSACI模式在合适的点火和喷射策略下,可在一定程度上降低HC和CO的排放,HC体积分数可降低至3000×10^(-6)以下,CO体积分数可降低至1500×10^(-6)以下,同时将NOx排放控制在较低水平。通过对燃烧策略的合理调整,PODE/汽油双燃料发动机借助火花辅助压燃可实现高效清洁燃烧。

不同环境背压和环境温度下的液氨喷雾微观特性

为以液氨为内燃机燃料来实现低碳化和零碳化,实验研究了液氨喷雾的微观雾化特性。采用激光粒径微观成像(PDIA)方法,使用单孔喷油器,在低喷射压力(1 MPa)、环境背压100、200、400、600 kPa、环境温度293、313、333 K下,进行喷雾实验。获得了液滴概率密度分布函数(PDF)、累计体积分布函数(CDF)、Sault平均直径(SMD)和液滴数量密度等微观参数。结果表明:液氨喷雾在低环境背压下雾化效果好,喷雾中小液滴数量多,SMD较小,增大环境背压,喷雾概率密度分布和累计体积分布曲线向大粒径方向移动,大液滴数量增加,液滴数量密度减小;液氨液滴概率密度分布、累计体积分布和SMD几乎不会随环境温度的变化而变化,但增加环境温度可以增强液氨喷雾的蒸发,环境温度高的时候液氨喷雾蒸发增强。

煤直接、间接液化柴油及其混合燃料液滴的蒸发特性

为研究煤直接和间接液化柴油(DDCL、DICL)及其混合燃料液滴在不同环境温度下(500、600和700℃)的蒸发特性,利用基于悬挂法的液滴蒸发试验装置,采用交叉石英丝悬挂液滴,通过燃料设计方法,将DDCL和DICL按29∶21的质量比混合后可获得与柴油理化特性非常相近的燃料.研究显示,DDCL、DICL及其混合燃料液滴蒸发规律与柴油相似,均呈现两阶段蒸发.在600℃以下与经典d^(2)定律(d为液滴直径)存在较大偏差,随环境温度的升高,与d^(2)定律的偏差逐渐缩小.在以上3种环境温度下,混合燃料液滴均表现出的蒸发性能优于柴油,分别比柴油的平均蒸发速率高27.2%、46.3%和19.6%.研究结果为煤液化柴油在柴油机上的应用提供支撑数据.

改善M100甲醇发动机低温起动性能的试验研究

针对M100甲醇发动机低温环境下难以形成足够浓度可燃混合气而导致的起动困难问题,从改善M100甲醇燃料雾化及提升混合气温度两方面开展了研究。采用空气辅助喷射器降低甲醇燃料喷雾粒径,促进其形成可燃混合气;采用进气加热方式将起动阶段进入气缸的甲醇混合气加热,提高甲醇蒸发速度,加速低温下甲醇混合气浓度达到着火界限。试验结果表明:空气辅助喷射器对改善M100甲醇燃料发动机起动性能有利,比普通甲醇喷射器的极限起动温度降低10℃;进气加热可加速甲醇混合气形成;两种方案组合可实现环境温度5℃下缸内着火。

氨替代率对柴油发动机的燃烧及排放性能的仿真

内燃机引入氨燃料,有利于减少汽车污染物排放。该文研究了掺氨后的柴油发动机的燃烧品质以及污染物排放性能。针对某商用车柴油发动机,采用发动机缸内Converge仿真分析软件,建立三维仿真模型,分析掺氨能量比为0%~40%的5组燃料的燃烧及排放性能。结果表明:随着氨替代率的提高,发动机滞燃期有延长趋势,燃烧持续期先缩短后延长,缸内平均温度、缸压下降;CO、NO和碳烟排放显著降低,氨替代率为40%时,CO排放量降低了41.6%,NO排放量降低了68.7%,碳烟排放量降低了17.2%。因而,柴油发动机掺氨燃烧可有效降低排放水平,但需要控制氨能量比例在合理范围以防止燃烧恶化。

掺混含氧燃料对柴油模型燃料燃烧过程的影响

采用Chemkin-Pro柴油机燃烧模型,以正庚烷作为柴油的模型燃料,构建了乙醇/二甲醚/正庚烷燃烧机理。研究乙醇和二甲醚这两种含氧燃料的不同掺混比(摩尔比)对正庚烷燃烧温度、燃烧压力以及燃烧产物的影响规律。结果表明:与掺混二甲醚相比,掺混乙醇对反应温度和压力的降低更为显著。而当乙醇和二甲醚同时掺混时,二甲醚的掺混比成为决定反应时刻的关键因素。随着二甲醚掺混比从15%增加到35%,燃烧反应提前了约10°(曲轴转角)。此外,二甲醚掺混比对氧化自由基的生成时刻具有显著影响,掺混比越高,自由基的生成时刻越早。在自由基摩尔分数峰值方面,乙醇掺混比例发挥着主导作用。随着乙醇掺混比的增加,3种自由基的摩尔分数峰值均呈现上升趋势。在燃烧产物方面,掺混乙醇能够有效降低甲醛和乙醛的生成量,而掺混二甲醚则能够减少乙醛的生成,但可能导致甲醛生成量的增加。当乙醇和二甲醚同时掺混,并增加二甲醚的比例时,甲醛和乙醛的摩尔分数峰值均下降,同时CO_(2)的最终生成量也有所减少。

可控温电热塞辅助压燃甲醇发动机燃烧和排放研究

为探明电热塞温度对甲醇发动机性能的影响,在一台压燃式甲醇发动机上,保持发动机转速不变,研究了不同负荷工况下电热塞温度对M100甲醇发动机燃烧及排放性能的影响规律。结果表明:随着电热塞温度升高,缸压及放热率峰值逐渐增大、燃烧始点前移、压力升高率上升、油耗降低、有效热效率升高。但在不同负荷工况下电热塞温度变化对燃烧及油耗的改善效果不同,20%负荷下效果最佳,随负荷增加,改善效果逐渐减弱。排放特性方面,随电热塞温度升高,NMHC排放减少,NO_(x)排放逐渐增多;在20%和50%负荷时CO和Soot排放呈下降趋势,最大降幅分别为22.92%和70%,80%负荷时略有增多;未燃甲醇及甲醛等非常规排放物均呈下降趋势,最大降幅分别可达47.64%和32.87%。

甲醇发动机低温冷起动策略研究

研究了提升甲醇发动机在低温下起动标定的策略方法。对于甲醇发动机,低温起动困难一直是甲醇燃料的痛点问题,提出多种优化及技术措施,包括喷油策略优化,起动转速提升,预加热等措施,都不同程度地提升了甲醇发动机的低温冷起动性能。在漠河环境温度-30℃,甲醇发动机可以顺利起动。

锅炉用甲醇燃料与柴油燃料的对比研究

为了解决当前石油燃料的能源短缺及其应用所引发的一系列环境污染问题,在对甲醇燃料锅炉汽化燃烧技术研究的基础上,通过构建试验系统分别对甲醇燃料、柴油燃料在锅炉中应用的热效率、污染物排放以及综合应用费用等指标进行对比,结果表明:甲醇燃料在热效率、降低污染物排放以及节约运行成本等方面具有显著的优势,应在未来进行广泛推广应用。

低压空气辅助喷射甲醇发动机冷起动试验研究

针对甲醇发动机难以形成浓度合适的混合气而造成冷起动困难的问题,以一台应用自主开发的进气道低压空气辅助喷射系统(air assisted port injection,AAPI)的单缸甲醇发动机为研究对象开展试验研究,探究不采用辅助措施通过AAPI喷射实现甲醇高雾化对甲醇发动机冷起动的影响及规律。试验表明AAPI明显加快了甲醇发动机冷起动前可燃混合气的形成速率。AAPI甲醇发动机着火前过量空气系数λ的平均变化率值和峰值变化率分别是普通喷射方式的3.2倍和2.26倍。点火时刻对AAPI甲醇发动机冷起动影响较大,为使AAPI甲醇发动机的冷起动性能最优,需配合合适的点火时刻,试验条件下最佳点火时刻为活塞压缩上止点前20°。AAPI甲醇发动机的冷起动性能受环境温度影响较大,随着环境温度的降低,甲醇发动机冷起动时间增长;不采用辅助措施,AAPI甲醇发动机在5℃时能实现可靠冷起动。

压燃式甲醇发动机缸内燃烧过程仿真

以某四缸压燃发动机为研究对象,建立内燃机的缸内燃烧模型并通过实验值对模型进行标定和验证;分别改变内燃机进气温度、喷油时刻等工况参数,研究甲醇缸内燃烧情况。计算分析结果表明:进气温度增加,着火提前,燃烧滞燃期缩短,燃烧区域和高温区域面积增大,混合气在压缩上止点时刻的温度升高,缸内最高压力值减小,焰前基元反应速度升高;喷油时刻提前,燃烧提前,缸内最高压力、缸内温度峰值升高。仿真计算结果为压燃式甲醇发动机的燃油系统设计和燃烧控制提供了依据。