以甲醇，乙醇，正丁醇和柴油为燃料的RCCI燃烧过程的数值研究外文翻译资料

以甲醇，乙醇，正丁醇和柴油为燃料的RCCI燃烧过程的数值研究

Xian Zou, Hu Wang, Zunqing Zheng,Rolf Reitz,Mingfa Yao

( SAE Technical Paper)

摘要：在目前的数值研究中，研究了使用各种燃料策略的RCCI燃烧过程的燃烧和排放特性，其中包括甲醇，乙醇，正丁醇和汽油作为低反应性燃料，以及柴油作为高反应性燃料。将简化的第一参比燃料（PRF） - 醇化学动力学机制与计算流体动力学（CFD）代码相结合，以预测在各种操作条件下的RCCI燃烧过程。结果表明，与醇 - 柴油燃料混合物保持相同的燃烧定相需要更高量的柴油，甲醇 - 柴油（MD）和乙醇 - 柴油（ED）的燃烧持续时间比汽油 - 柴油（GD）和正丁醇 - 柴油（nBD）要短得多并且压力上升速率更快。在模拟中还研究了直接喷射策略，进气温度和预混燃料比对RCCI燃烧相位控制的灵敏度。与GD和nBD情况相比，MD和ED的燃烧定相对于单次喷射策略不太敏感，但对预混燃料比更敏感。ED和GD的燃烧定相分别表现出双喷射策略和进气温度的最低灵敏度。在比较不同燃料的排放时，NOx和烟尘排放随着低负荷条件下DI质量的增加而增加，而烟尘排放随着高负荷条件下燃料氧含量的增加而减少。

概述

近年来，随着化石燃料消耗和排放法规变得更加严格，需要来自内燃（IC）发动机的更清洁的燃烧和更高的效率。然而，传统的柴油发动机遭受高NOx和PM排放的困扰。为满足更严格的排放法规，排气后处理也是必要的。为了在保持内燃发动机高效率的同时避免NOx和PM的形成，已经提出了新的燃烧概念，例如均质压燃（HCCI）和低温预混合燃烧（RCCI）。HCCI是一种极具吸引力的燃烧概念，因为它具有高热效率和接近零的NOx和烟尘排放。然而，鉴于HCCI主要受化学动力学控制，没有直接的方法，特别是在高负荷条件下，来控制燃烧速率（压力上升速率和热释放速率（HRR））和燃烧定相，因此，难以将HCCI燃烧的操作范围扩展到高负载条件，限制了其广泛的应用。 RCCI是HCCI的双燃料燃烧技术变体，可以更有效地控制燃烧过程，并能够降低燃料消耗和污染物排放。为了实现RCCI燃烧，使用两种具有不同反应性的燃料，即通过进气口喷射与进气预混合的低反应性燃料（即汽油）和用作直接喷射燃料的高反应性燃料（即柴油）作为点火源。通过这种方式，燃烧室中存在浓度和反应性梯度，可用于控制和优化燃烧过程。点火正时和燃烧定相可以通过直接喷射正时和燃料质量来优化，并且可以通过浓度和反应性分层来控制热释放速率。另外，由于直接喷射燃料的冷却效果，也可以在燃烧室中实现温度分层，这有助于减缓热释放速率。因此，RCCI燃烧可以扩展操作范围，并且可以实现更高的负载条件。Lim等人证明，在模拟中使用双直接注射可以实现21bar的总平均指示有效压力（IMEP）。此外，通过使用具有不同反应性的各种燃料可以实现RCCI燃烧。 鉴于其潜在的应用，人们已经使用不同的燃料进行了越来越多的研究。例如，汽油和天然气被用作低反应性燃料，或单一的低反应性燃料或同样的燃料与少量十六烷值改进剂混合作为高反应性燃料的相同燃料也特别令人感兴趣。结果表明，当在RCCI燃烧状态下运行时，可以使用非常小百分比的适当添加剂来建立足够大的反应性梯度以匹配双燃料策略的性能。特别是，由于具有可再生和拥有广泛的来源的特征，甲醇，乙醇和丁醇等醇类燃料是非常有前景的替代燃料，并且可以用作低反应性燃料，近年来引起了越来越多的关注。Splitter等探索了RCCI在NOx和PM接近于零的情况下实现高效燃烧的过程，这获得了较高的总热效率，E85-柴油、汽油-柴油和汽油 硫化剂分别达到59%、56%和57%的热效率。Nieman等人研究了高负荷下天然气/柴油的RCCI燃烧对喷射系统参数的敏感性，结果强调了燃烧控制需要精确的喷射控制。Li 等人使用改进的多维模型结合详细的化学动力学机制研究了甲醇/柴油RCCI发动机的燃烧和排放特性，详细研究了预混合甲醇质量分数、柴油机启动喷射(SOI)时间和进气阀门关闭(IVC)时间初始缸内温度对发动机燃烧和排放的影响。结果表明，甲醇质量分数和SOI均对燃料反应性分布有显着影响。增加甲醇分数和提高SOI有利于提高燃料经济性和避免发动机爆震。同时，为了保持燃烧相位恒定，初始温度应随着甲醇含量的增加而增加，并且加入适量甲醇可以减少所有排放。Qian等人提出了一个关于RCCI以乙醇/正庚烷和汽油/正庚烷为燃料的燃烧和排放特性的实验研究。随着发动机负荷的增加，用乙醇/正庚烷作为燃料的发动机的CO，NOx和烟尘排放低于用汽油/正庚烷作为燃料的发动机。当IMEP高于6bar时，乙醇/正庚烷的指示热效率高于汽油/正庚烷。 Soloiu等人报道使用正丁醇作为低反应性燃料使压缩和峰值温度降低约100K，并导致35％的NOx和90％的烟尘减少。如上所述，比较使用其他醇类燃料如甲醇，乙醇和正丁醇作为低反应性燃料实现的RCCI燃烧的性能，以实现发动机中的清洁和高效燃烧是十分具有意义的。与汽油相比，醇燃料的较高潜热值也有助于增强由进气口喷射产生的冷却效果，这也被认为有利于延长RCCI运行负荷。此外，含氧醇燃料有利于减少烟尘。使用含氧生物衍生的醇燃料也有助于提高能源安全性并减少对石油衍生柴油/汽油燃料的依赖。在目前的研究中，已经在一个改进的单缸重型柴油发动机中进行了对不同燃料策略RCCI燃烧过程的数值研究，包括汽油/柴油，甲醇/柴油，乙醇/柴油和正丁醇/柴油。还进行了DI策略，预混燃料比和进气温度对不同操作条件下燃烧定相控制的灵敏度的比较。本研究的目的是比较不同燃料策略对RCCI燃烧可控性的影响。

实验和建模过程

实验装置：

使用汽油/柴油的RCCI实验在6.5L，6缸重型柴油发动机中进行，其中第六气缸被改进为测试气缸，其具有单独的供油和进气和排气系统，而其他气缸保持不变。发动机几何形状的规格可以在表1中看到，实验装置的示意图如图1所示。外部压缩机用于模拟进气涡轮增压，并且通过使用排气管中的节气门来调节排气背压以实现EGR并模拟涡轮增压器的效果。压力传感器（Kistler 6125B）与气缸盖壁齐平安装，并通过电荷放大器（Kistler 5011）连接到计算机中的数据采集板。 气缸压力数据以半曲柄角增量记录，由光轴编码器触发。使用动态多气体成分测量系统（Horiba MEXA-7100DEGR）测量废气中CO2，CO，O2，NOx和HC的浓度，并使用滤纸烟度计（AVL 415S）测量烟尘。

表1. 发动机规格

图1. 实验设置示意图1.压缩机; 2.三通阀; 3.空气流量计; 4.空气罐; 5.废气冷却器; 6.烟道表; 7.排气分析仪; 8.压力传感器; 9.燃油喷射器; 10.测功机; 11.编码器; 12.电荷放大器; 13.空气流量传感器; 14.惰性气罐; 15.调压阀。

表2中列出了测试燃料的主要特性。如上所述，在不同条件下的实验中使用汽油/柴油作为基准燃料，实现RCCI燃烧的燃料组合如表3所示。值得注意的是没有进行醇燃料实验，只进行了模拟以研究它们的燃烧和排放特性。汽油，甲醇，乙醇和正丁醇用作注入口的低反应性燃料，柴油用作RCCI燃烧中直接注入的高反应性燃料。发动机运行条件如表4所示。可以看出， 使用汽油/柴油的RCCI实验在三种不同的操作条件下进行（5,9.5,12.6bar平均有效压力）。 （将在未来的工作中使用醇燃料/柴油进行RCCI实验，目前的模拟将有助于指导未来的发动机实验。）

表2. 柴油，汽油，甲醇，乙醇和正丁醇的性质

表3. 测试燃料

表4 . 发动机运行工况

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资料编号：[675]

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