均质充量压缩燃烧(HCCI)的研究进展与展望

介绍HCCI的基本概念及燃烧的特点,并对目前国内外的研究进展进行分析,指出HCCI方式所面临的主要困难和有待解决的问题,展望HCCI的应用前景。

新的发动机燃烧方式——均质充量压燃燃烧(HCCI)

在往复式发动机中,除了火花点燃式燃烧和柴油压燃燃烧的运转方式外还有第3种运转方式,即均质充量压燃燃烧(HCCI)。HCCI模式发动机的运转情况被认为是高效和稳定的。在部分负荷工况下可以大幅度降低NOx的排放。把HCCI燃烧应用到发动机方面尽管仍有一些困难,但HCCI燃烧方式表明在发动机应用的巨大潜力。本文将阐述HCCI与传统发动机燃烧方式的不同及其未来的展望。

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,DMEHCCI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。

均质充量压缩燃烧方式的研究进展及存在问题

介绍了均质充量压缩燃烧 (HCCI)方式的基本概念 ,分析了HCCI能实现较高热效率、低NOx 排放等优点的机理 ,论述了制约和影响HCCI方式的各种因素及其当前的研究进展 ,探讨了HCCI方式面临的主要困难及其解决途径 。

添加剂对甲醇均质充量压燃燃烧的影响

采用零维详细化学动力学模型,模拟了分别加入H2O2、CH2O两种添加剂的甲醇HCCI燃烧,分析了这两种添加剂对甲醇燃烧的影响。结果表明:H2O2、CH2O在缸内分解产生OH活性基,提高了OH的浓度,甲醇着火时刻提前,并且提高了缸内的压力和温度峰值。同时,CH2O能提高平均指示压力,H2O2通过控制着火时刻来影响平均指示压力的大小。

缸内直喷乙醇均质充量压燃燃烧离子电流特性

基于DI-HCCI发动机试验台架,对乙醇HCCI燃烧模式下的离子电流特性进行了试验,并结合Chemkin-Pro软件对乙醇HCCI燃烧过程离子产物的化学反应路径进行了分析。结果表明,发动机负荷提升,离子电流信号会显著增强,并且信号的起始、峰值等相位也会提前,离子电流信号最大升高率也会增加,即离子反应速率加快。

发动机运转参数对均质充量压缩燃烧着火时刻的影响

为研究发动机运转参数对均质充量压缩燃烧(HCCI)着火时刻的影响机理,笔者采用了一个两区准维模型(分为绝热中间层区和热边界层区)对四冲程HCCI发动机压缩阶段的温度时间函数进行模拟,在此基础上进行了仿真计算,并研究了初始混合气温度、废气再循环(EGR)率、混合气浓度等运转参数对HCCI燃烧着火时刻的影响.结果显示,随着混合气初始温度的提高和废气再循环(EGR)率的增加,HCCI燃烧的着火时刻提前;而当混合气由稀变浓时,着火时刻推迟.

均质充量压缩燃烧数值模拟的研究动态

与传统的汽油机和柴油机相比,均质充量压缩燃烧(HCCI)方式由于其高热效率和低排放等突出的优越性已成为国际上的研究热点,数学模拟在其中发挥着日益重要的作用.因此,对近年来HCCI燃烧数值模拟研究的进展按单区模型、多区模型和多维CFD模型分别做了全面评述和讨论.前二者在HCCI总体燃烧特性预测与分析方面已取得了显著的成绩;而CFD与详细化学动力学耦合模型由于计算机资源的限制,目前尚处于发展初期.最后,对该领域存在的问题进行了讨论,对今后重点研究方向提出了建议.

改变压缩比对正庚烷HCCI发动机燃烧及排放特性影响的模拟研究

为研究压缩比的改变对正庚烷均质充量压燃(HCCI)发动机的燃烧特性及排放的影响,本研究基于CHEMKIN中的ICE模型,模拟了正庚烷HCCI发动机在压缩比为11~15时的燃烧及排放特性,研究结果揭示了压缩比的改变对正庚烷HCCI燃烧及排放的主要基元反应及化学动力学的影响方式。研究结果显示,压缩比增大使低温燃烧阶段的着火时刻稍有提前,负温度系数(NTC)区持续时间缩短,高温燃烧阶段的着火时刻提前明显,缸内温度压力峰值随之变大,放热率增势减缓,整体燃烧放热持续期缩短,着火时刻不断提前,正庚烷分解速率加快。OH自由基的总反应速率加快,增大压缩比对高温蓝焰反应速率影响较大使得OH自由基到达峰值浓度时刻提前,着火延迟期缩短。此外,压缩比的变化对CO和CO_(2)的生成量影响较小,但加快了CO转化为CO_(2)的反应速率,NO的浓度显著上升,压缩比增大主要增加了热力型NO的形成。

二甲醚均质充量压燃简化机理研究

通过对二甲醚燃烧的详细化学动力学的研究以及温度敏感性分析,构建了一个涉及31种组分、49个基元反应的简化机理。该简化机理包括低温阶段、NTC区子机理、甲酸生成与消耗子机理和高温阶段子机理。通过分析过量空气系数、进气温度、压缩比对二甲醚均质压燃的影响以及重要组分的变化过程,验证了简化机理在缸内压力、温度、燃烧始点和NTC区等与详细机理的一致性。

二甲醚均质充量压燃发动机排放特性的试验研究

试验研究了压缩比为10 7的二甲醚均质充量压缩点燃燃烧发动机的排放特性。试验结果表明,采用DMEHCCI燃烧方式可以有效控制发动机的氮氧化合物排放,使其接近于零,实现无烟燃烧。在一定的负荷范围内,发动机的碳氢和一氧化碳排放与柴油机相当;低负荷时混合气过稀,则碳氢和一氧化碳排放偏高,而高负荷混合气过浓时,又有可能导致敲缸。发动机稳定运转的条件是一定的空燃比必须对应一定的发动机转速和负荷。

变压缩比二甲醚均质充量压燃发动机排放特性的研究

在TY1100柴油机上试验研究了8.0、10.7、14.0三种压缩比ε对二甲醚均质压燃发动机排放特性的影响。研究结果表明:三种压缩比均可以有效控制发动机NOx排放,使其接近于零,并实现无烟燃烧;发动机的低排放区与混合气过量空气系数密切相关,不同ε有不同的最佳运行范围,在此范围内,CO均能达到0.2%的低排放,HC则在ε=10.7附近时较高。

准均质充量压燃发动机低负荷排放性能的试验研究

通过试验研究了引燃油量和进气节流对天然气/柴油双燃料准均质充量压燃(QHCCI)发动机低负荷排放性能的影响.结果表明:在低负荷时适当地增加引燃油量,不但可以降低QHCCI发动机的排放,又可以提高其热效率;适当采用进气节流,可在热效率略有降低的情况下有效地改善QHCCI发动机在低负荷时的排放性能;在增大引燃油量的同时采用一定程度的进气节流对降低QHCCI发动机低负荷排放更为有利.

自由活塞柴油直线发电机均质充量压燃工况分析

在分析活塞运动规律基础上,针对自由活塞柴油直线发电机HCCI燃烧过程,建立了耦合柴油详细化学反应机理的CFD模型,搭建了对置二冲程自由活塞柴油直线发电机实验样机系统,并通过实验测试结果验证了该CFD模型的有效性.仿真分析了初始温度、初始压力、当量比和压缩比等工况变化对HCCI燃烧的影响.仿真结果表明:自由活塞柴油直线发电机HCCI燃烧具有典型的两阶段特征,先进行低温反应放热阶段,后进行高温反应放热阶段;随初始温度、初始压力、当量比和压缩比的增大,燃烧相位提前,燃烧放热率峰值、缸内最高温度和最大压力随之增大.

柴油均质压燃燃烧(HCCI)的计算模拟研究

通过可模拟均质压燃燃烧(HCCI)的计算程序分析了进气温度、压缩比、过量空气系数、EGR率等参数对柴油机HCCI的影响,同时确定HCCI可行的工况范围。计算所得出的HCCI可行范围和优化工况对相应燃烧试验具有指导作用。

“发动机原理”均质充量压燃燃烧的仿真教学设计

“发动机原理”课程中的均质充量压燃燃烧涉及大量化学动力学机理,学生理解较为困难,运用Chemkin软件搭建发动机均质充量压燃燃烧的仿真实验模型,通过修改相应参数,得到不同初始条件下的放热率、缸内温度、缸内压力等仿真结果,针对仿真结果进行分组讨论,得到相应结论,并将燃料扩展到天然气,分析参数变化对天然气发动机均质充量压燃燃烧的影响,激发了学生的兴趣,加深了学生对教学内容的理解。

压缩比和CO_2对二甲醚燃料均质压燃燃烧的影响

在一台2-135柴油机上实现了纯二甲醚(DME)的均质充量压燃(HCCI)的燃烧方式.为了扩展发动机适用工况,控制HCCI着火,进一步通过调节试验发动机压缩比以及在优化的压缩比下在进气道中加入气体CO2的方法来改进和控制HCCI的燃烧.试验结果表明,DME的HCCI燃烧模式不但可以实现无烟燃烧,还可以有效控制发动机NOx排放,使其接近于零排放.在试验负荷范围内,CO排放随负荷增加而降低;HC的排放随负荷增加而减少.对DME的HCCI燃烧机理等进行研究表明,由于纯DME十六烷值高导致着火较早(上止点前28°左右),该发动机只能在中低负荷较小范围内运行.改进的燃烧方法可以有效地控制HCCI燃烧,拓展HCCI发动机运转范围.

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0．15～0．25 MPa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。

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LawrenceLivermore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。

压缩比、CO_2和LPG对二甲醚燃料均质压燃燃烧的影响

在一台2-135柴油机上实现了纯DME的均质压燃(HCC I)燃烧方式.实验结果表明,DME的HCC I燃烧模式不但可以实现无烟燃烧,还可以有效控制发动机NOx排放,使其接近于零排放.在实验负荷范围内,CO排放随负荷增加而降低;HC的排放随负荷增大而减少.对DME的HCC I燃烧机理进行研究表明,由于纯DME十六烷值高导致的着火比较早(上止点前28°CA左右),使得发动机只能在中低负荷较小范围内运行.为了扩展发动机工况,控制HCC I着火,进一步通过调节实验发动机压缩比,以及在优化的压缩比下,在进气道加入气体CO2或者在DME中加入LPG降低燃料十六烷值的方法来改进和控制HCC I的燃烧.实验表明以上方法可以有效控制HCC I燃烧,拓宽HCC I发动机运转范围.