PODE/甲醇二元燃料低温燃烧过程及污染物生成演化机制研究
批准号:
51806086
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
刘军恒
依托单位:
学科分类:
燃烧学
结题年份:
2021
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
孙平、赵秀亮、嵇乾、王楚翘、杨晨、高婉莹、范义
中文摘要
传统点燃式内燃机热效率较低,而传统压燃式内燃机碳烟和氮氧化物(NOx)排放问题难以解决。聚甲氧基二甲醚(PODE)/甲醇二元燃料低温燃烧方式,采用进气道喷射甲醇形成均质混合气,缸内直喷PODE引燃,有望实现内燃机高效清洁燃烧。项目采用光学测量试验和化学反应动力模拟的方法,研究二元燃料的着火过程、放热规律和排放特性,探明二元燃料低温燃烧特征多样性及燃烧边界条件。运用敏感性分析法建立二元燃料化学反应动力学简化模型,探明燃料间化学反应的耦合作用,发展耦合化学反应动力学的三维燃烧模型,研究缸内着火过程、预混燃烧形式和分段燃烧放热规律,揭示燃料比例、喷射策略和废气再循环(EGR)对二元燃料低温燃烧过程的影响机制。采用光学诊断测量技术研究燃烧中间产物、自由基浓度分布和演化历程,揭示二元燃料低温燃烧污染物生成氧化机理。这一研究为拓展煤基燃料应用领域和控制污染物排放提供理论依据和技术支持。
英文摘要
The thermal efficiency of traditional spark ignition engine is relatively low, and the emission of soot and nitrogen oxide (NOx) from traditional compression ignition engine is difficult to solve. Polyoxymethylene dimethyl ethers (PODE) / methanol dual fuel low temperature combustion mode, using intake port injection methanol to form homogeneous mixture and direct injection PODE ignition, is expected to achieve high efficiency and clean combustion for internal combustion engines. The methods of optical measurement tests and chemical reaction dynamics simulation are used to study the ignition process, heat release regularity and emission characteristics of dual fuel. The combustion feature diversity and combustion boundary conditions of dual fuel low temperature combustion will be clarified. Based on sensitivity analysis method, dual fuel chemical reaction kinetics simplified mode will be constructed to ascertain the coupling effects of chemical reactions between two fuels. The dual fuel three-dimensional combustion mode coupled with chemical reaction dynamics will be developed to investigate the in-cylinder ignition process, premixed combustion patterns and staged heat release rate. Meantime, effect mechanism of fuel ratio, injection strategy and exhaust gas recirculation (EGR) on dual fuel low temperature combustion process will be clarified. Various optical diagnostic measurement techniques are used to study the concentration distribution and evolution process of the combustion intermediates and free radicals, so as to reveal the formation and oxidation mechanism of pollutants from dual fuel low temperature combustion. This study will provide the theoretical basis and technical support for expanding the application of coal-based fuels and controlling pollutant emissions.
聚甲氧基二甲醚(PODE)/甲醇二元燃料低温燃烧模式具有低排放和高效率的优势,燃烧过程既受物理混合制约,也受化学反应动力学控制,其燃烧反应的特殊性具有重要的研究价值。项目通过改进定容燃烧弹和发动机燃烧过程试验平台,应用光学诊断、燃烧测试、反应动力学计算等手段,研究了PODE/甲醇二元燃料低温燃烧特征多样性、燃烧反应机理以及污染物生成氧化机制。发现PODE在甲醇热氛围中的滞燃期和火焰浮起长度较大,火焰结构下游呈现多处褶皱,预混燃烧比例较高,火焰亮度降低,且随着甲醇浓度的增加趋势更显著。通过软件INCA调整甲醇比例、进气状态和喷油策略,研究了二元燃料发动机燃烧过程和排放规律,发现二元燃料模式能同时降低碳烟和NOx排放,然而NO2、HCHO、甲醇等非常规排放却增加;预喷策略会降低CO、HC和碳烟,抑制了NOx和碳烟的trade-off关系;二元燃料运行区域主要受到爆震、部分燃烧和失火现象的制约。基于甲醇和PODE3详细反应机理,联合反应路径分析、直接关系图法、敏感性分析和解耦法构建了PODE/甲醇二元燃料化学反应简化机理(101种组分和473步反应),阐明了两种燃料化学反应的耦合作用机制。甲醇和PODE的第一步反应都存在争夺OH的脱氢反应,在低温氧化阶段,甲醇将活跃的OH转换成了不活跃的H2O2,降低了系统的反应活性,抑制了PODE的低温氧化反应;而在高温氧化阶段,H2O2分解路径畅通,甲醇的抑制作用消失。采用软件CONVERGE耦合反应动力学机理建立了二元燃料缸内燃烧数值模型,从热力学和流场瞬变的角度揭示了温度场、组分场和浓度场耦合效应对二元燃料低温燃烧过程和污染物生成的作用机制,发现二元燃料缸内温度场和当量比分布更加均匀,甲醇和HO2显著增加,促进了NO2生成。最后,提出了二元燃料负荷范围拓展的策略,在高负荷时利用两阶段燃烧耦合EGR控制燃烧粗暴和甲醇自燃现象;在低负荷时采用预喷策略和提高进气温度,改善稀薄预混气活性,提高燃烧稳定性和热效率。研究结果对于拓展煤基燃料应用领域和控制内燃机排放提供了理论依据和技术支持。
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Influence of injection parameters on combustion, gaseous emissions and particle size distribution of a CRDI diesel engine operating with PODE/diesel blends
喷射参数对使用 PODE/柴油混合物的 CRDI 柴油发动机的燃烧、气体排放和颗粒尺寸分布的影响
DOI:
10.1016/j.fuel.2020.118733
发表时间:
2020-12
期刊:
Fuel
影响因子:
7.4
作者:
[Tianting Wang, Junheng Liu, Ping Sun, Qian Ji, Wanying Gao, Chen Yang]
通讯作者:
Chen Yang
Influence of Ce-based catalytic fuel on exhaust particle physicochemical properties on a common-rail engine
铈基催化燃料对共轨发动机排气颗粒理化性质的影响
DOI:
10.1080/15567036.2020.1741734
发表时间:
2020-03
期刊:
Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects
影响因子:
--
作者:
[Junheng Liu, Jun Yang, Pin Sun, Qian Ji, Mingliang Wei, Bo Wang, Tianqin Kang]
通讯作者:
Tianqin Kang
Numerical simulation on NO and soot formation process of a diesel engine with polyoxymethylene dimethyl ethers-diesel blend fuel
聚甲醛二甲醚-柴油混合燃料柴油机NO和烟灰生成过程的数值模拟
DOI:
10.1080/15567036.2020.1726530
发表时间:
2020-02
期刊:
Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects
影响因子:
--
作者:
[Wanying Gao, Junheng Liu, Ping Sun, Tianting Wang, Le Chen, Bo Wang, Tianqin Kang, Shaokang Liu, Kunpeng Shi]
通讯作者:
Kunpeng Shi
Experimental study on the high load extension of PODE/methanol RCCI combustion mode with optimized injection strategy
优化喷射策略PODE/甲醇RCCI燃烧模式高负荷延伸实验研究
DOI:
10.1016/j.fuel.2021.122726
发表时间:
2021-12
期刊:
Fuel
影响因子:
7.4
作者:
[Lejian Wang, Junheng Liu, Qian Ji, Ping Sun, Jie Li, Mingliang Wei, Shaokang Liu]
通讯作者:
Shaokang Liu
Effects of iron-based fuel borne catalyst addition on combustion, in-cylinder soot distribution and exhaust emission characteristics in a common-rail diesel engine
添加铁基燃油催化剂对共轨柴油机燃烧、缸内碳烟分布和废气排放特性的影响
DOI:
10.1016/j.fuel.2020.120096
发表时间:
2021-01-11
期刊:
FUEL
影响因子:
7.4
作者:
[Liu, Junheng, Wu, Pengcheng, Wang, Pan]
通讯作者:
Wang, Pan
共 20 条
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