中介尺度往复活塞式内燃机醇醚燃料瞬态微燃烧特性研究

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1、中介尺度往复活塞式内燃机醇醚燃料瞬态微燃烧特性研究重庆大学博士学位论文学生姓名：唐志刚指导教师：张力教授专业：机械工程学科门类：工学重庆大学汽车工程学院二O一七年六月StudyonTransientMicro-CombustionCharacteristicsofAlcoholEtherFuelinMesoscaleReciprocating-pistonInternalCombustionEngineAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementf

2、ortheDoctor’sDegreeofEngineeringbyTangZhigangSupervisedbyProf.ZhangLiSpecialty:MechanicalEngineeringCollegeofAutomotiveEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,China.June,2017中文摘要摘要基于中介尺度活塞式内燃机的微型能源动力系统（PowerMEMS）是最具实用潜力的MEMS结构形式。但其广泛应用受到综合热效率差、微燃烧理论和技术不够成熟等因素的制约。本课题在微燃烧测试平台

3、上，对瞬态微燃烧过程开展试验研究，并系统分析了中介尺度电热塞点火内燃机的基本燃烧特性，确立了导致其微燃烧性能差的主要影响因素及其作用机制。并提出通过添加剂改善微燃烧特性以及引入均质压燃（HCCI）燃烧模式适应微燃烧等措施，并基于化学动力学微观手段、二维可视化模拟、试验测试以及多维度比较分析等方法，对各种措施下的燃烧特性开展研究，以明确基于中介尺度活塞式内燃机PowerMEMS进一步的发展方向。本文主要研究结论如下：①对中介尺度电热塞点火内燃机瞬态微燃烧过程进行了诊断，其结果表明：1）中介尺度电热塞点火内燃机具有明显的尺寸效应，与常规尺寸内燃机相比，

4、燃烧压力和燃烧放热率低，燃烧始点滞后，燃烧持续期较长，同时燃烧稳定性差、循环波动大，而电热塞点火模式是燃烧循环波动大的主要诱导因素。2）以捕捉首着火循环的方式进行瞬态分析发现，高残余废气量是导致微燃烧放热规律差的主要原因。残余废气量高，充气效率降低，导致平均指示压力和燃烧压力下降严重。另外，残余废气与缸体温度共同作用，通过影响混合气温度和进气充量，进而影响燃烧始点和初期放热率。3）由于面容比较大，缸体温度对进气与燃烧影响大。缸体温度对微燃烧过程的影响总体上呈现出显著的二重性，较高的缸体温度对缩短燃烧持续期和增强燃烧稳定性有利，缸体温度为130℃时，

5、表现出最好的燃烧稳定性，但缸体温度增加平均指示压力和燃烧压力会降低。当缸体温度增加到145℃时，二重性消失，燃烧持续期增加，燃烧稳定性显著恶化。为利用二重性，提出不同热特性材料组合式微型内燃机的构造。②试验研究了硝基甲烷和双氧水（有效成分H2O2，质量分数30%）两种液体添加剂各自对甲醇燃烧的影响。结果表明，甲醇添加双氧水未能改善甲醇燃烧，并使燃烧恶化，加重失火；而甲醇添加硝基甲烷可改善甲醇燃烧，着火性能和燃烧稳定性都显著提高。动力学分析表明，双氧水和硝基甲烷两种添加剂存在类似的助燃机理，都能通过贡献OH基，促进甲醇燃烧。双氧水助燃失效是由于试验双

6、氧水质量分数较低，使得混合气中水分增加，降低了初始混合气温度，一定程度上抑制了燃烧。③为寻求改善甲醇燃烧的新途径，分别探讨了掺混氢气（H2）、甲烷（CH4）、一氧化碳（CO）和甲醛（CH2O）四种小分子气体对甲醇（CH3OH）燃烧动力学I重庆大学博士学位论文的影响。发现只有掺混CH2O可缩短甲醇点火延迟时间，并且混合气温度越低、当量比越小、添加比例越大，CH2O缩短点火延迟时间的效果越明显。同时，发现掺混H2和CH2O通过贡献H基，可明显提高甲醇层流燃烧速度，混合气温度越高、当量比越大、添加比例越大，对层流燃烧速度的提升越大。④通过建立中介尺度电热

7、塞点火内燃机二维瞬态燃烧模型，验证了氢气和甲醛对甲醇的助燃作用以及甲醛提高甲醇着火性能的效果；考察了电热塞温度对甲醇燃烧的影响，发现电热塞温度越高，对着火越有利，但后续燃烧速度越慢，最高燃烧温度和压力降低，相位滞后，因此电热塞温度应予合理控制。⑤创新性地搭建了中介尺度内燃机HCCI燃烧性能测试平台，测试结果表明：1）缸体温度高，燃烧波动小，随着缸体温度升高，低温和高温放热相位提前并且放热率升高，对应的燃烧速度加快，燃烧持续期缩短，但进气减小，平均指示压力降低。2）压缩比通过改变燃烧相位影响燃烧性能，研究压缩比在14.1-25.2之间，压缩比为16.

8、4时拥有最好的综合燃烧性能。3）转速升高，平均指示压力和燃烧压力增加，低温放热提前，但低温放热率降低，而对应的高温放热滞后