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667-1250K，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。

汽油PRF简化化学反应动力学模型的构建研究

利用反应路径分析和敏感性分析方法对异辛烷和正庚烷的详细化学反应动力学模型进行简化,根据“半解耦”思想,以C0~C1的小分子机理作为汽油基础参考燃料(PRF)的“内核”,构建了包含41种组分和131个反应的PRF简化化学反应动力学模型,并通过了基础反应器包括激波管(ST)、一维层流火焰速度(LFS)和射流搅拌器(JSR)的实验数据验证.结果表明,本文构建的PRF简化动力学模型,既能准确预测燃料的滞燃期,又能有效地描述燃料层流火焰速度和关键组分的演变趋势.

DME-PRF混合燃料化学动力学简化机理

使用二甲醚燃料微引燃汽油混合燃烧过程可以改善汽油高稀释燃烧的可控性,并进一步改进其热效率.为了从机理上研究微引燃混合燃烧过程,构建了一个可以兼顾不同DME-PRF掺混比例的化学反应动力学简化模型.通过层级扩展的方式,从CO/H2内核基团的反应开始,在此基础上逐步加入C1~C3过渡反应机理模块,以及C4~C7/C8的PRF子机理和DME子机理模块.最终得到一个包含79种组分267个基元反应的多组分替代燃料简化机理.激波管实验验证结果表明,该机理可以较准确地预测不同温度、压力、当量比下单一燃料和混合燃料的着火延迟;发动机实验证明,该机理对于着火相位和放热率有着不错的预测效果.

PRF90低温重整产物对发动机燃烧和排放的影响

通过一台耦合了外置燃料重整器的单缸发动机,系统研究了温度对PRF90燃料低温重整产物及发动机燃烧特性的影响,并结合Chemkin软件进行了相关化学动力学计算和分析.结果表明:随着重整温度升高,重整混合气中甲醛、CO和CO2增多,重整混合气活性下降;PRF90燃料的重整产物导入到发动机中,燃烧相位改变;当重整温度<650 K时,燃烧相位随着重整温度的升高而提前,而当重整温度>650 K时,发动机发生失火现象;重整气的导入对发动机的燃烧稳定性影响有限;合理控制外置燃料重整器重整边界条件,可在降低有害排放的同时改善发动机的指示热效率(2%).

废气再循环和发动机运转参数对不同辛烷值燃料HCCI燃烧的影响

考察了废气再循环(EGR)、进气温度、冷却水出水温度和转速等发动机运转参数对HCCI发动机燃烧特征和排放特性的影响。实验结果表明:随EGR率提高,各种燃料的两阶段着火时刻推迟,燃烧持续期延长;高十六烷值燃料可以容许较高的EGR率,RON75最高仅可以采用45%的EGR;EGR对高十六烷值燃料的CO和UHC影响不大,对高辛烷值燃料的CO影响明显,并随EGR率增加CO排放升高。在其它运转参数中,进气温度对HCCI燃烧影响最为显著,随进气温度提高、冷却水温度升高,HCCI燃烧的着火时刻提前、燃烧持续期缩短,高辛烷值燃料的UHC和CO显著降低。转速升高,着火延迟,燃烧持续期延长。此外,研究发现,高辛烷值燃料对HCCI发动机的运转参数更为敏感。

异辛烷/正庚烷/乙醇三组分燃料着火的化学动力学模型

提出一个包括异辛烷、正庚烷和乙醇的三组分燃料的着火动力学模型,该机理包括50个组分和193个反应.通过路径分析和灵敏度分析,给出了基础燃料在高低温条件下的不同反应路径和影响氧化过程的重要基元反应.该机理预测的单组分(异辛烷、正庚烷、乙醇)燃料、双组分基础燃料和三组分燃料的点火延迟时间与实验值有很高一致性.本文机理包含较少的组分数与反应数,因而可适用汽油掺烧乙醇的多维计算流体动力学(CFD)数值模拟.

适用于HCCI发动机的基础燃料化学动力学模型Ⅱ:构造骨架机理

提出了一个适用于HCCI发动机燃烧过程研究的基础燃料骨架机理模型,包含42种物质和71个反应.骨架机理分别对不同基础燃料(PRF0、PRF60、PRF80、PRF90和PRF100)在温度为667～1,350,K下进行了着火延迟期的预测计算,与试验结果的对比是较为吻合的.HCCI发动机试验的验证表明,无论是配比的基础燃料(PRF70、PRF91.8),还是单组分燃料(PRF100),该机理对缸内燃烧及排放情况的预测均是令人满意的.由此可知,该骨架机理在HCCI燃烧方面的预测性能是可靠的,可以应用于HCCI发动机的多维模拟.敏感性分析表明,针对PRF70与PRF91.8燃料HCCI工况下的燃烧情况,异辛烷与氧气的脱氢反应和正庚烷与羟基的氧化反应对缸内着火的影响较大,CH2O、CH3是非常重要的中间自由基.

适用于HCCI发动机的基础燃料化学动力学模型Ⅰ:比较现有模型

随着HCCI燃烧技术的不断发展,燃料化学动力学机理在燃烧计算中发挥着越来越重要的作用.纵览了近年来基础燃料各种不同类型反应机理与试验研究情况,为评价现有反应机理对HCCI发动机燃烧过程的适用性,将机理模型的计算结果与HCCI燃烧相关试验进行了综合比较验证.通过4种典型基础燃料机理的计算与激波管、速压机和HCCI发动机等试验数据的比较发现,由于各反应机理构建的目的和方法不同,以及针对个别验证试验作出的参数调整,各机理在不同试验状况下性能各异,为此提出了构建适用于HCCI发动机的基础燃料简化机理的必要性.

基础燃料辛烷值对HCCI燃烧稳定性和循环变动的影响

研究了燃料辛烷值对均质充量压缩着火(HCCI)燃烧稳定性和循环变动的影响.在单缸HCCI发动机上,通过进气管喷射燃料形成均匀混合气,记录了正庚烷、PRF20、PRF40、PRF50、PRF60燃料在相同循环油量下100个循环的示功图,据此对主要燃烧参数和性能参数的循环变动进行了分析.研究表明,随着燃料辛烷值增加,各种燃烧参数和性能参数的循环变动系数增加,特别是当辛烷值达到40以后,循环变动显著增加.对某一种燃料而言,低温着火时刻和高温着火时刻的循环变动系数较小;燃烧过程后期参数(如最大放热率、最大压力升高率)的循环变动系数要大得多;而反映发动机性能的宏观参数(如最大气缸压力和平均指示压力)的循环变动的数量级介于两类燃烧参数之间.

燃料辛烷值对HCCI燃烧特征和排放特性的影响

将一台4缸高速轻型柴油机中的一缸改装,使其具有独立的进排气系统和燃油供给系统,研究了参比燃料及其混合物在均质压燃过程中的着火时刻、燃烧速率和NOx、UHC、CO排放．考察了正庚烷、异辛烷和各种不同比例的混合物在常温、常压下各种负荷的燃烧特性．研究发现:随燃料辛烷值增加,第一阶段着火时刻推迟,燃烧持续期缩短,第一阶段反应结束时的压力升高量和温度升高量减少;第一阶段的累积放热量取决于燃料中高十六烷值燃料的浓度;第二阶段的着火时刻与第一阶段着火时刻呈线性关系;第二阶段燃烧持续期随当量比的增加而减小,且随辛烷值增加而延长;随燃料十六烷值和当量比增加,CO和UHC排放大幅度改善．

用加速量热仪研究参比燃料的低温氧化特性(Ⅰ)

分析了两种参比燃料正庚烷和异辛烷氧化过程的化学动力学机理.在初始压力约1.5MPa和当量比为0.52左右的条件下,采用加速量热仪对两种基本参比燃料及其均匀燃/空混合物在450～650K之间的氧化特点进行了考察.实验结果表明两种参比燃料在450K时就有放热发生,并且随着自放热的发生正庚烷的压力逐渐升高,而异辛烷的压力在整个放热过程中基本保持不变,但当放热结束时却突然升高;正庚烷和异辛烷分别在598.5K和594.8K结束自放热,进入负温度系数区.

灵活缸重整模式下低温重整产物对压燃式发动机燃烧和排放影响的数值模拟研究

采用数值模拟方法研究了第一参比燃料(PRF50)的低温重整过程及其产物对压燃式发动机燃烧和排放特性的影响。研究结果表明,PRF50燃料的低温重整区域随当量比的增加而增大,初始温度和压力的选择范围变化有限,并且PRF50燃料发生低温反应的触发界线开始向较高的初始进气温度方向移动;初始进气温度和当量比对重整过程的影响要大于初始压力的影响;PRF50燃料的低温重整产物均可使PRF50燃料均质充量压燃的燃烧相位提前,且重整产物的加入改善了发动机有害排放中一氧化碳、未燃碳氢和氮氧化物的排放,指示热效率也可提高约3.0%。

掺氢对高辛烷值燃料燃烧过程的影响

通过耦合纯H2和高辛烷值标准基础燃料(primary reference fuel,PRF)燃烧机理,在CHEMKIN的Premix子程序上建立并验证了PRF-H2混合燃料预混层流火焰燃烧模型,并在该模型上就理论当量比条件下,掺氢对高辛烷值燃烧过程的影响进行了计算研究.试验结果表明:H2能加快PRF-H2混合燃料火焰的传播,促进PRF-H2混合燃料中正庚烷和异辛烷的分解;此外,掺入H2还能增大火焰中H、O和OH自由基的摩尔分数,H自由基摩尔分数的最大值由纯PRF混合燃料火焰时的4×10-3增大到了掺氢能量分数为60%时的13×10-3.

碳氢燃料自燃化学特性的实验研究

本文介绍了标准参考燃料（正庚烷和异辛烷）及其混合物氧化自燃化学特性的实验研究结果。作者在倒拖发动机上分别研究了进气温度、燃料辛烷值、发动机转速及压缩比对燃料氧化自燃的影响，结果表明：辛烷值提高，需要较高的进气温度才能使混合气自燃；增加压缩比，降低了自燃所需的进气温度；而发动机转速对自燃所需进气温度的影响则随所用燃料辛烷值的大小而异。

一种基于HCCI模式的参比油简化机制及其验证

引入数值模拟精度的定义，采用两组分参比油模拟了HCCI发动机点火过程，对Youngchul Ra和RoED．Reitz提出的正庚烷与异辛烷氧化过程进行敏感性分析及优化处理，对H．J．Curran的详细反应机理进行数值验证，在验证范围（初始温度530～600K，当量比0．3～0．8，压缩比12．5～28）的大部分区域内，优化后简化模型的数值模拟结果满足一级精度。利用HCCI发动机的三维CFD耦合化学动力学模型，模拟缸内燃烧流动过程，得到缸内压力及中间产物和燃烧相位的关系，计算结果与试验结果吻合较好。

用加速量热仪研究参比燃料的低温氧化特性(Ⅱ)

基于用加速量热仪(ARC)对参比燃料与空气的混合物在低温条件下的氧化特性的实验结果,对ARC实验结果进行了热力学和化学动力学分析.根据能量平衡方程,推导出在较小的样品质量下,考虑到密闭容器中各种基本反应物质的比热容随温度变化时,热惰性因子的准确表达式,算出参比燃料在反应过程中的实际自放热率,并根据化学动力学分析求出正庚烷和异辛烷低温氧化动力学参数.对正庚烷和异辛烷的自放热率分析发现,它们都出现双峰现象,并分别在 589. 4K和 585. 7K时有最大放热率,随后在 598. 5K和 594. 8K结束自放热.

基础燃料均质压燃燃烧特性的数值计算

结合详细化学反应动力学机理,利用CHEMKIN软件计算了基础燃料均质压燃燃烧(HCCI)的过程,并与单缸HCCI燃烧试验作出对比。研究了燃料成分、压缩比、燃空当量比、初始温度、初始压力对HCCI发动机燃烧的影响。计算结果表明:随着燃料辛烷值的增加,着火延迟期增加;压缩比、当量比、初始温度、初始压力的变化对燃烧着火时刻有显著影响,同时不难看出,基础燃料HCCI燃烧运行工况范围是有限制的。

适用于汽油参比燃料TRF的多环芳香烃生成机理

构造了一个包括287种组分和1569个反应的汽油参比燃料TRF(toluene reference fuel)燃烧过程中多环芳香烃(PAHs)生成机理的详细化学反应动力学模型,引入四种PAH生长路径将多环芳香烃的生成机理发展到芘A4(C20H12)水平,并通过对PAH产率的分析,指出乙炔(C2H2)、丙炔(C3H3)、乙烯基乙炔(C4H4)以及含有奇数碳原子的环戊二烯自由基(C5H5)和茚基(C9H7)等物质对PAHs生成和生长起到重要作用.该机理可以较准确计算基础燃料(PRF)和TRF火焰的着火延迟期、燃烧火焰中小分子(PAH前驱体C2H2、C3H4等)和PAHs的物质浓度.通过与实验数据的比较表明,该机理在不同温度、压力、化学计量比下具有较好的性能.由此分析,该机理对碳烟前驱物PAHs的预测性能是可靠的.

解耦法:一个构建简化或骨架机理的有效方法（英文）

高保真的简化或骨架反应机理对多维计算流体力学(CFD)燃烧模拟极其重要。首先,针对不同简化目标,使用包含误差传播和敏感性分析的直接关系图方法(DRGEPSA)通过简化主要参比燃料(PRF)详细机理,获得了一系列简化机理,发现简化机理的结构随简化目标的改变而显著不同;其次,基于不确定性定量化方法评估简化机理的性能,结果表明为避免简化机理的预测结果失真,需要在简化方法中使用较小的相对误差;最后,提出了解耦法的理论依据,并使用该方法构建PRF燃料的骨架机理。结果发现通过耦合详细H_2/CO/C_1子机理和骨架C_4-C_n子机理,最终的骨架机理能够满意地预测滞燃期和火焰传播速度。

基于着火延迟数据的外延法预测燃料的十六烷值

前期工作提出了一种用基础参比燃料骨架机理根据滞燃期数据预测燃料十六烷值的方法。该方法受到参比燃料的组分（即正十六烷和异十六烷）自身十六烷值的限制，不适用于十六烷值超出15～100的燃料。针对这一问题，进一步提出了根据混合物的十六烷值，通过线性拟合方法预测十六烷值超出15～100的燃料的十六烷值，即外延法。结果表明，外延法可以预测十六烷值超出15～100的燃料的十六烷值，并且外延法无需已知纯燃料的十六烷值，但其具有误差累计特性。