二甲醚/甲醇混合燃料HCCI燃烧特性数值模拟

为了研究混合气浓度及燃料掺混对二甲醚/甲醇混合燃料HCCI(homogeneous charge compression ignition)燃烧特性的影响,对不同过量空气系数和二甲醚掺混比下的醇醚混合燃料HCCI燃烧过程进行了模拟计算,分析了缸内温度、压力、压力升高率、放热率和燃料消耗路径随过量空气系数和二甲醚掺混比的变化关系。结果表明,随过量空气系数增大,缸内压力、温度、放热率和压力升高率峰值减小,相位推迟,过量空气系数太大时,CO的进一步氧化反应会受到阻碍,使缸内产生大量的CO残留;随二甲醚掺混比的增大,缸内压力、温度峰值增大,相位提前,压力升高率和放热率峰值减小;二甲醚HCCI燃烧放热率曲线存在3个峰值,第1个峰值出现上止点前曲轴转角30°,为二甲醚低温氧化放热,对应缸内温度为804 K,第2个峰值出现在上止点前曲轴转角15°,对应缸内温度为1193 K,为甲醛等中间产物氧化生成CO时放热,第3个峰值为CO氧化,生成CO_(2)时放热,第2和第3个放热率峰值为二甲醚的高温氧化放热阶段,与甲醇掺混燃烧时,二甲醚的低温氧化反应对混合气的燃烧起到了促进作用。

MULINBUMP-HCCI复合燃烧放热特征及其对排放和热效率的影响

提出了基于多脉冲喷射和BUMP燃烧室的MULINBUMP HCCI复合燃烧技术。发动机试验和CFD数值模拟研究表明,多脉冲喷射参数,特别是多脉冲喷射定时可以控制预混合气的形成,从而控制燃烧放热率。具有分布式放热率的工作过程的热效率与直喷式柴油机相当,但同时改善了NOx和碳烟排放。在不采用废气再循环的条件下,NOx排放在较低负荷时只有11×10-6,高负荷时也不超过250×10-6。碳烟排放始终小于0 5BSU。

火花点火对缸内直喷汽油机HCCI燃烧的影响

实现汽油机均质混合气压燃(HCCI)的难点是着火控制。在缸内直喷汽油机上实现了HCCI燃烧,研究了火花点火对HCCI燃烧特性的影响。结果表明,HCCI燃烧方式较火花点火(SI)火焰传播燃烧方式放热速率快,热效率高,NOx 大幅度降低。在HCCI临界状态时,火花点火有助于提高燃烧稳定性,抑制失火和爆燃,降低循环波动;当火花点火时缸内温度远超过临界着火温度时,火花点火对HCCI燃烧影响不大。火花点火在SI/HCCI燃烧模式切换工况时,能提高瞬态过渡平顺性。

甲醇/乙醇/汽油HCCI燃烧和排放特性对比

在Ricardo单缸四冲程汽油机上采用内部废气再循环策略,实现了汽油、乙醇和甲醇的HCCI燃烧,并对比了这3种燃料HCCI的燃烧和排放特性。结果表明:在HCCI燃烧模式下,醇类燃料与汽油相比有更多的燃料参与了低温反应,有利于化学动力学反应的进行,因此醇类燃料提前着火时刻,缩短燃烧持续期,降低发动机的燃烧温度;在相同的发动机转速和空燃比条件下,醇类燃料可以极大地降低发动机的NOx排放,特别是甲醇的NOx排放最低可达2×10-6;并且醇类燃料更有利于稀燃,适用于中高速的发动机工况。

基于可变气门定时策略的HCCI汽油机试验研究

在电控气口喷射四冲程单缸试验机上,利用特殊设计的小包角配气凸轮,通过负气门重叠角实现了由内部残余废气控制的汽油HCCI燃烧,详细研究了气门定时参数对HCCI燃烧的影响.结果表明,就进排气门定时比较而言,排气门关闭时刻对内部EGR率和负荷的影响更大,而进气门开启时刻对HCCI燃烧的影响相对较小.在进排气门相位对称条件下,随着气门重叠负角的减小,最大压力升高率增加,着火时刻提前,负荷也增大.随着转速的增加,内部EGR率增加,排气温度升高,着火时刻也提前.通过调整气门定时,在不需要进气加热的条件下,可在转速880～4 000 r/min,负荷0.25～0.75 MPa(pIMEP)的范围实现HCCI燃烧.

HCCI技术的研究现状与展望

对被称为第四种燃烧方式的HCCI燃烧方式进行了介绍,论述了制约和影响HCCI方式的各种因素和当前的研究进展,指出了HCCI方式面临的技术障碍,展望了HCCI燃烧方式的应用前景。

HCCI甲醇发动机的燃烧与排放特性

在Ricardo Hydra单缸四冲程发动机上利用内部废气再循环策略实现了甲醇燃料的HCCI燃烧.通过调整HCCI发动机的过量空气系数和转速,研究了HCCI甲醇发动机的燃烧和排放特性.结果表明,甲醇燃料的HCCI燃烧不同于普通汽油,其着火更早、燃烧更快,但在低转速时,平均指示压力相对较低.甲醇燃料可以在更稀的混合气条件下实现HCCI燃烧.在相同的转速和过量空气系数下,甲醇燃料的NOx和HC排放低于汽油.

乙醇燃料均质压燃(HCCI)燃烧边界

在一个单缸排量为1.14 L、压缩比为17: 1的自然吸气发动机上,使用乙醇燃料采用进气道低压喷射,进行了HCCI燃烧区域的实验研究.结果表明,在进气温度为150 ℃时,乙醇燃料可以在较宽的范围内(φa=1～9)实现HCCI燃烧,并且以过量空气系数为标志存在着明显的边界.当过量空气系数φa＞9时,燃烧不完全、甚至熄火, φa=9为该实验条件下的稀燃界限.当过量空气系数φa＜3时,不加EGR则产生爆震燃烧;加入EGR则爆震现象消失,可以实现HCCI燃烧, φa=3为该实验条件下的爆震限.当过量空气系数φa＜1时,加入较多的EGR可以实现HCCI燃烧,但由于燃烧不完全,CO排放大幅度增加,指示效率下降, φa=1为该实验条件下的浓燃界限.

外部EGR甲醇HCCI发动机燃烧特性试验

为了控制均质压燃(HCCI)燃烧过程,在1台HCCI发动机上加装外部废气再循环(EGR)装置,进行了不同EGR率的甲醇HCCI发动机燃烧试验,采集了发动机燃烧过程的气缸压力,计算得到发动机燃烧相位、压力升高率、放热率、循环变动等参数.结果表明:外部EGR对HCCI发动机燃烧影响显著;引入部分EGR气体后,气缸最大峰值压力、压力升高率及瞬时放热率都明显降低;随着EGR率的增加,发动机燃烧相位逐渐推迟,且混合气较浓时发动机燃烧相位受EGR影响更为明显;浓混合气状态下,发动机燃烧循环变动较大,但引入少量EGR(5%)后即可迅速减小;甲醇HCCI发动机的最小燃烧循环变动量1.9%可以在中等进气浓度状态(λ=1.8)下获得.

高辛烷值燃料HCCI燃烧特性的变参数研究

构建了一种高辛烷值燃料与空气压缩自燃反应机理(89种组分,413个反应)。用在快速压缩机上获得的试验数据对它进行了验证,考察了机理的有效性。然后将其嵌入内燃机模型,在CHEMKIN平台上对这种燃料的HCCI燃烧特性进行了变参数的数值模拟,研究了进气温度、进气压力、空燃比、压缩比、转速和EGR等因素对燃烧特性的影响,同时预测了缸内反应物、生成物、自由基浓度随曲轴转角变化的历程。计算结果对燃用高辛烷值燃料HCCI发动机燃烧过程的优化提供了依据。

高辛烷值燃料对HCCI增压发动机燃烧和排放影响的试验研究

在一台经改装的4缸直喷式柴油机上进行了不同辛烷值(RON)基础燃料(PRF)和93号汽油的进气增压(pin)对均质压燃(HCCI)燃烧特性、性能和排放影响的试验研究。结果表明,进气压力增加,发动机缸内最大爆发压力提高,着火时刻提前。增压后,RON对PRF着火时刻的影响减小,汽油的着火时刻滞后于PRF。进气压力增加,HCCI正常运转工况范围向大负荷和小负荷区域都得到拓展。增压后汽油燃料所能达到的最大负荷比PRF高。相同供油量下,进气压力提高,燃烧效率和净指示热效率先增大后减小;最高燃烧效率和净指示热效率均增大。进气压力增加,HCCI发动机的HC和NOx排放降低,CO排放升高。增压后,RON对PRF的HC、CO和NOx排放影响变小,汽油的HC、CO和NOx排放较PRF高。

进排气门相位和升程对汽油机HCCI燃烧控制的试验研究

利用内部高温残余废气加热新鲜充量是实现均质压燃(HCCI)的一种有效方式。设计了几种具有小持续角的特殊进、排气凸轮轴,以满足高内部残余废气率。在Ricardo Hydra 140单缸汽油机上,分别采用不同持续角的凸轮轴研究了进、排气门定时和升程等参数对汽油机HCCI燃烧的影响。试验结果表明,排气门定时对残余废气率和HCCI燃烧有着更强的控制作用。选择合适的气门升程可以拓展HCCI运行范围,升程大的凸轮轴将HCCI运行范围向高速大负荷方向拓展,而升程小的凸轮轴则有利于获得更低的HCCI运行负荷和转速。

燃料特性对HCCI发动机燃烧和工况范围影响

在一台改装的4缸直喷柴油机上进行燃料特性对均质压燃(HCCI)燃烧和工况范围影响的试验研究。试验选用6种不同燃料:基础燃料(PRF)、汽油以及基础燃料与乙醇混合物。控制6种发动机运转条件:不同进气温度(tin)、进气压力(pin)和转速。结果表明:在某些运转条件下,汽油着火时刻最早,而在另一些运转条件下,PRF着火时刻最早,这就表明燃料特性对HCCI燃烧过程的影响依赖于发动机运转条件。选用敏感性燃料协同合理的运转条件控制,对于运行工况范围的拓展具有更大潜在优势。CA50(放热完成50%所对应的曲轴转角)与辛烷值指数(OI)具有很好的相关性,OI越高,着火越晚。然而,使用基础燃料与乙醇的混合物时,OI与着火时刻不具有相关性。

均质压燃式(HCCI)燃烧的研究

均质压燃式(HCCI)燃烧方式是目前内燃机燃烧领域的研究热点。HCCI燃烧是以预混合燃烧和低温反应为特征的燃烧方式。采用HCCI燃烧方式可以同时有效降低柴油机的NOx和碳烟排放,并提高柴油机的循环热效率。HCCI发动机通常工作在高空燃比和较低的压缩比条件下,工作范围较小,高负荷时功率输出不足。“双模式”HCCI发动机是解决上述问题的有效途径,并成为近期HCCI发动机研究中的热点。

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ICengine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:正庚烷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。

空气/天然气λ对QHCCI燃烧过程影响的研究

本文采用天然气气口顺序喷射、柴油引燃方式实现了基于天然气的准均质压燃着火燃烧过程（ＱＨＣＣＩ），本文研 究了气口喷射天然气／空气过量空气系数（λ）ＱＨＣＣＩ对燃烧过程的影响，分析了各种排放产物及燃油经济性同过量空气 系数（λ）、停缸数和引燃柴油量的关系。通过燃烧优化，发动机ＮＯｘ、颗粒和ＮＭＨＣ排放均达到了欧Ⅱ排放指标。

不同EGR方法对柴油燃料HCCI燃烧影响的探讨

研究了内部EGR和外部EGR模式对柴油燃料HCCI燃烧的影响.随着内部EGR率的增大,HCCI燃烧的着火始点提前,在相对较小的负荷下,-40℃A气门重叠期的着火始点比-20℃A气门重叠期的着火始点提前5～7℃A,内部EGR的加热作用大于其对混合气的稀释作用;内部EGR增大有利于均质混合气的形成,使柴油燃料HCCI燃烧的烟度排放减小,但使低NOx排放的负荷范围减小;外部EGR起到了推迟着火始点的作用,是一种有效的扩展运行范围负荷上限的方法.

基于缸内直喷的甲醇汽油混合燃料HCCI燃烧排放特性研究

在缸内直喷发动机上研究甲醇汽油混合燃料的HCCI燃烧排放特性,分析了其非常规排放的性能。试验中选用汽油、M10(甲醇体积分数10%)、M20(甲醇体积分数20%)3种燃料,并通过FTIR方法测量甲醇及甲醛等非常规排放。研究结果表明:在汽油中添加甲醇可以有效拓展HCCI燃烧的高负荷范围,M20燃料的高负荷范围比汽油提高近9%,指示燃油消耗率比汽油高5%～10%,但指示能量消耗率比汽油低2%～6%。CO、THC、NOx等常规排放随甲醇添加比例的增加而降低,而甲醇和甲醛等非常规排放随甲醇添加比例的增加而增加,并随负荷增高呈先增加后减少的趋势。

采用并行计算和简化机理的HCCI发动机多维模拟

HCCI燃烧过程多维数值模拟十分耗时。采用并行计算和简化机理对HCCI燃烧过程多维CFD模拟计算进行了加速对比。研究基于16-CPU计算机集群系统,采用消息传递的并行算法(M essage-Passing Interface,MPI)方式计算。结果表明,内燃机HCCI燃烧多维燃烧模拟,采用8个CPU能获得最大收益:纯流动计算加速5倍,耦合化学反应流动计算加速4倍,简化反应机理又可加速9倍。通过优化选择并行计算CPU数量和反应机理,使得HCCI发动机单个循环模拟时间由一个月缩短到一天,大大提高了汽车发动机燃烧模拟计算的效率。而且采用三维CFD耦合化学反应的模拟计算,可以解析HCCI发动机着火燃烧过程,提供详细的流动、燃烧和排放物生成的瞬态信息。

基于神经网络的汽油HCCI发动机空燃比控制策略

均质压缩燃烧(HCCI)在控制上存在难点,其中关键是基于循环的空燃比实时控制。HCCI汽油机没有能直接表征发动机每循环进气量的参数,因此,采用动态递归神经网络(Elman网络)预测HCCI发动机每循环的进气量。通过氧传感器闭环和瞬态工况中的油膜补偿,实现对HCCI发动机的稳态及瞬态工况下空燃比的精确控制。试验表明:汽油HCCI发动机神经网络预测模型及空燃比控制策略能满足HCCI发动机实时控制的需求。