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燃烧与环境课题组
所属类型:科研成果   |   阅读次数:39062  
 

燃料设计与替代燃料高效清洁燃烧基础研究

        石油替代途径和代用燃料是当今事关国家能源安全与环境保护的重大课题。本项目在国家杰出青年科学基金项目、国家自然科学基金重点与面上项目、国家973重大基础研究项目、国家863项目、国家科技攻关项目、上海市自然科学基金青年基金等资助等下,首先提出了燃油溶气燃烧新概念与燃料设计思想,在溶气燃油雾化控制机理、溶气燃油燃烧控制理论等方面取得了研究的重要突破。在此基础上进一步发展了燃料设计方法,提出了燃料实时优化设计控制HCCI燃烧的方法。在替代燃料二甲醚研究上,对二甲醚发动机与汽车开展了深入系统应用基础的研究,取得重大进展。主要成果有:

        1、燃油溶气雾化与燃烧新技术的基础研究
        主要创新点有:
        (1) 首次发现了喷孔孔内流态和压力分布的两种模式及其对溶气燃油雾化的控制机理,利用喷孔的负压效应,使溶气在孔内瞬时析出发生气爆雾化,成功地解决了燃油溶气喷射中溶气析出气泡生长率低这一国际上一直未能解决的学术难题;
        (2) 揭示了CO2组分比例、温度、压力对溶有CO2燃油的相变过程、闪急沸腾现象和雾化过程的影响规律和控制机理;
        (3) 发现了一种能同时有效地降低柴油发动机氮氧化物和碳烟微粒排放的新方法,提出了发动机溶气燃油喷射与燃烧的雾化作用、稀释作用、热作用和化学作用理论;
        (4) 提出了一种高效、快速制备溶气燃油的新方法—气体射流溶气法,成功地解决了国际上溶气燃油快速制备的技术难题。
        (5) 在上述研究成果基础上,提出了燃油溶气雾化与燃烧新概念和理论。燃油溶气喷射,可在较低喷射压力下,使燃油雾化粒径比柴油降低50%以上,且雾化锥角大、粒径细小均匀,可获得理想的雾化质量,在柴油机上预期可实现中低压燃油喷射, 降低油耗,减少NOx排放50%到75%,达到高效节能的目标,满足日趋严厉汽车排放法规。

        本项目的研究成果在国际上获得了同行高度评价和注目,在国内外学术刊物和国际会议上先后发表了42篇论文,其中SCI、EI收录19篇,国际会议特邀报告1篇。在本研究领域权威学刊美国的Atomization and Sprays 上作为首篇做连续文发表,在论文评审意见中被国外有关专家评论为发现了一种新的雾化模式,将对燃油雾化和燃烧学产生很大影响。研究成果被国际著名学者Hiroyasu,印度流体推进研究中心K. Ramamurthi,以色列Ben-Gurion大学的V.Kbolmer,英国皇家科学院C. Arcoumanis 和 M. Gavaises、美国Ferro公司F.S. Mandel、俄罗斯专家A. M. Danilov等多次详细引用。有关研究成果在第九届亚洲液体雾化与喷雾系统国际学术会议上做大会主题报告。项目负责人黄震教授2004年当选亚洲液体雾化与喷雾学会(ILASS-Asia)主席,2006年当选国际液体雾化与喷雾系统学会执委会委员,International Journal of Atomization Sprays国际学刊编委,这是我国学者首次在这一学术组织担任领导职务。
        本项目成果获2005年上海市科技进步一等奖(基础类)。

        2、替代燃料设计理论及其均质压燃着火燃烧的基础研究
        主要创新点有:
        (1) 系统研究了纯质燃料及其混合燃料,揭示了DME、DMM/柴油、DME/柴油、CO2/柴油、天然气/柴油、LPG/柴油的喷雾特性、喷雾形状、粒度分布、速度特性及闪急沸腾雾化机理机,为进一步通过设计燃料物性,促进燃料雾化与混合气形成,控制发动机燃烧打下了基础。
        (2) 深入开展了燃用不同比例的DMC/柴油、DMM/柴油、乙醇/柴油、甲醇/柴油等混合燃料的柴油机燃烧与排放试验研究,阐明了燃料含氧量与发动机燃烧与排放之间的定量关系,为含氧燃料的设计提供了指导依据。
        (3) 在此基础上进一步提出并发展了燃料设计方法与理论,围绕正庚烷/异辛烷、DME/LPG、高辛烷值燃料添加助燃剂、高十六烷值燃料添加抗爆剂等多组混合燃料,对燃料理化特性与HCCI燃烧间的关系进行了研究,优选了添加剂的种类和最佳比例,揭示了十六烷值、辛烷值对HCCI燃烧的影响规律。
        (4) 提出了燃料实时优化设计理论与方法,以正庚烷/异辛烷、DME/LPG两组燃料为例,通过不同工况下对异辛烷/正庚烷、DME/LPG油量及其比例的优化调节,实现宽负荷范围内HCCI的稳定着火与燃烧,有效降低了发动机压缩负功,抑制了发动机爆震;在全负荷范围内NOx的排放接近零,HC、CO排放显著降低,发动机热效率提高,提出了实行超低排放发动机均质压燃着火燃烧的新途径。提出了HCCI燃料筛选与设计原则和方法。
        本项目的研究成果在国际上已获得了同行高度评价,在”Combustion and Flame”、“Fuel”等国际一流学刊上发表论文30多篇,国际会议特邀报告1篇。两篇相关论文分别获得2004年度和2005年度中国工程热物理学会燃烧年会最佳论文。从事本课题研究的吕兴才博士获得上海市优秀博士论文,第九届国家优秀博士论文提名奖。973课题“燃料设计与HCCI燃烧基础研究”在结题时获得优秀,排名第一。项目负责人黄震教授获中国内燃机学会2007年度“突出贡献奖”,2007年度通用汽车中国高校汽车领域创新人才奖一等奖。

        3、二甲醚汽车研究
        主要研究特色与创新点有:
        (1) 对二甲醚燃料喷射过程,包括二甲醚燃料的泵端、嘴端油管压力和针阀升程、音速、闪急沸腾雾化现象和燃烧过程进行了深入系统的研究,揭示了二甲醚作为车用燃料的喷射、雾化、混合、燃烧与排放机理,提出了二甲醚燃料可控预混合燃烧新技术,实现了发动机无碳烟排放和NOx排放大幅降低。
        (2) 系统进行了二甲醚燃料可能引发的发动机部件磨损、材料相容性和可靠性研究,攻克了二甲醚的理化特性引起的燃料供给、材料相容性等技术难题,在此基础上,研制了具有完全自主知识产权的二甲醚燃料发动机燃料供给、喷射系统和燃烧系统。
        (3) 成功研发了D6114 二甲醚燃料发动机,整机动力性、经济性、排放和噪声都优于原柴油机。经国家重型汽车质量监督检测中心检测,排放远优于欧Ⅲ排放限值、碳烟排放为零。
        (4) 通过产学合作,成功研制了我国第一台二甲醚城市大客车产品样车。

        经国家机动车产品质量监督检验中心检测,该车动力强劲,车内外噪声比原型车分别下降了2分贝以上,彻底解决了城市公交车冒黑烟的问题。
        二甲醚城市客车的研制成功,是我国汽车领域的一项具有自主知识产权的重大科研成果。目前已获7项国家发明专利授权,在国内外发表论文20多篇,获2005年上海国际工业博览会创新奖,标志着我国二甲醚汽车的研发已与日本、欧洲同处国际前列水平。国际上纷纷报道本实验室二甲醚汽车研究成果,受到高度关注与评价。项目负责人黄震教授应邀在第2届国际二甲醚大会和亚洲第1、2届二甲醚会议上做大会特邀报告,2006年当选国际二甲醚协会副主席。
        目前在上海市政府与有关企业的大力支持下, 已完成10辆二甲醚公交车研制和全国首个二甲醚车用加液站建设,正在实施二甲醚城市公交车车队示范运行。二甲醚汽车研究成果对发展具有中国资源特色的汽车代用燃料、缓解石油供需矛盾、保证我国能源安全及环境保护具有重大战略意义。





        受到国际高度关注与评价,标志着我国二甲醚汽车的研发已与日本、欧洲同处国际前列水平。
        项目负责人黄震教授,2006年当选国际二甲醚协会副主席。
        目前在国家科技部、上海市政府与有关企业的大力支持下, 已完成10辆二甲醚公交车研制和全国首个二甲醚车用加注站建设,2007年9月18日已正式投入上海147路公交车车队示范运行。




     
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