代表性研究成果3 名称 |
类别 |
成果为第一完成单位 |
本室固定 人员参加 名单 |
所属研究方向 |
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基于混合气浓度与燃料活性分层的燃烧理论与技术研究 |
应用基础研究 |
是 |
尧命发，姚春德，刘海峰，郑尊清，王浒，李博，张帆，卫立夏，陈冠益，李中山 |
燃料与燃料燃烧基础研究 |
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随着石油资源紧张和降低CO2排放的要求，以生物质燃料为代表的替代燃料日益得到国际上的重视，内燃机燃料多元化趋势成为内燃机发展重要方向之一。因此，替代燃料高效清洁燃烧是内燃机燃烧研究的前沿问题。采用双燃料方式是替代燃料高效清洁燃烧的重要技术途径。本成果创新提出了基于混合气浓度与活性分层理论，即气道喷射低活性替代燃料和缸内喷射高活性燃料双燃料方式，通过改变两种燃料比例及缸内高活性燃料喷射策略，实现对缸内混合气浓度和活性分层控制，从而达到高效清洁燃烧的目标，克服均质压燃（HCCI）燃烧控制困难以及运行工况范围小的难题，在全工况范围实现高效清洁燃烧。本成果在国家自然科学基金重点项目、重大国际合作项目、863和自主课题资助下围绕这一新型燃烧理论和技术开展了研究。成果的主要内容包括： （1）开展了混合气浓度分层燃烧机理研究，揭示了浓度分层低温燃烧化学动力学作用机理，发现浓度分层燃烧过程存在明显的火焰扩展过程，浓度分层下的燃烧发展历程分为高浓度区自燃、火焰发展、新自燃点和后燃四个阶段，浓度分层可以有效控制燃烧反应速度；发展了浓度分层低温燃烧过程的化学反应动力学模型。 （2）阐明了混合气活性对低温燃烧过程的影响机理，发现低活性燃料更适合大负荷工况运行。揭示了混合气活性与浓度分层协同控制的作用机理。发现基于混合气浓度与活性分层协同控制的燃烧过程可能存在燃料高活性-低活性顺序自燃，同时也可能存在低活性区的火焰传播过程。 （3）开展了基于活性与浓度分层控制的燃烧技术研究，发现早喷影响混合气活性起主要作用，晚喷时浓度分层起主要作用，第二次晚喷触发燃烧可扩展高效清洁运行工况范围并提高热效率。样机NOx和颗粒排放满足欧VI法规条件下，燃油经济性提高了5%。 （4）发明了气道喷射甲醇和缸内直喷柴油的柴油甲醇组合燃烧新技术(DMCC)，拥有完全自主知识产权。DMCC在启动和小负荷燃用纯柴油，中高负荷燃用柴油/甲醇双燃料，控制两种燃烧比例和柴油喷油策略实现高效清洁燃烧。研发的甲醇-柴油DMCC发动机动力性优于普通柴油机，甲醇替代柴油达30%以上，燃料经济性提高15%以上。 本成果主要科技创新包括： （1）揭示了浓度分层低温燃烧化学反应机理，提出了浓度分层燃烧动力学机理，突破了浓度分层燃烧动力学模型无法预测缸内扩散火焰的难题，发现浓度分层控制是低温燃烧过程控制的有效途径。 （2）阐明了混合气浓度和活性分层对低温燃烧过程的作用机理，发现低活性燃料长滞燃期更适合低温燃烧，使运行工况范围向大负荷工况扩展。 （3）提出了基于混合气活性与浓度分层控制实现内燃机高效清洁燃烧运行的新方法，发现喷射两种不同活性燃料可以有效拓展高效清洁运行工况范围，高活性燃料喷射策略实现缸内混合气活性和浓度分层，早喷提高混合气活性，晚喷实现浓度分层触发燃烧。 （4）建立柴油甲醇二元燃料燃烧理论体系，提出柴油甲醇组合燃烧技术(DMCC)，发展了柴油甲醇DMCC燃烧控制技术，率先在国际上实现了甲醇在不同类型柴油机上的规模应用。 研究水平与成效： 本成果近五年共发表SCI论文80余篇， ESI高被引8篇；授权美国发明专利2项，发明专利20余项。成果获得国际同行广泛评价，SCI他引1200余次，Int J Engine Res主编，SAE和ASME会士Reitz教授在其发表于Prog in Energy Combust Sci长篇综述文章中大篇幅引用和评述“……揭示了对于双燃料燃烧放热取决于柴油燃料低温反应形成的OH自由基的氧化作用”；瑞典皇家科学院院士、隆德大学 Aldén 教授和SAE会士、沙特国王科技大学Johansson教授先后引用“……阐明了两次喷射策略下缸内混合气浓度分层特征，……，实现混合气浓度分层有效控制”；芬兰阿尔托大学Larmi教授认为“…通过晚喷获得不同分层度的研究结果非常好（Excellent）提出的燃烧控制新方法获得了高效超低碳烟和NOx排放，只需采用适当氧化催化器即可满足欧VI排放限值 ”；国际甲醇协会负责人Gregory Dolan对柴油甲醇组合燃烧评价认为“DMCC是一项可以将柴油机改装为柴油甲醇双燃料发动机的技术，这项技术对道路和非道路车辆乃至船舶都具有重大意义…DMCC是一项能够从根本上减少重型车辆以及船舶排放的革命性技术，这正是当今我们实现清洁运输最需要的技术。”2015年，由何光远部长和倪维斗院士为主任和副主任鉴定委员会认为：柴油甲醇二元燃料燃烧技术引领了国内外甲醇在柴油机上高效、清洁应用，具有国际领先水平。DMCC燃烧技术被工信部指定的载重车应用甲醇的唯一方式，已经在国内12省2市得到了推广应用，2016年获机械工业技术发明一等奖和中国优秀专利奖。 |
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