汽油机燃用醇类汽油混合燃料时非常规排放污染物生成机理及控制优化研究

针对燃用醇类汽油混合燃料的普通电喷汽油机，研究掺醇汽油基本理化特性、燃烧反应机制及产物生成规律，建立掺醇汽油下缸内气体流动及燃烧过程CFD模型，并与整机热力循环模型进行耦合，构建掺醇汽油机缸内燃烧与排放数值模拟与分析平台。通过台架试验与数值仿真，在全工况范围考察普通汽油机直接燃用掺醇汽油时的非常规排放特性及三效催化器对其的净化效率，并结合电控单元开发平台，研究发动机控制参数及策略对非常规排放的影响规律。深入分析不同醇类组分、不同掺混比例、不同发动机设计及控制参数下缸内流场、温度场、特别是排放污染物浓度场的仿真结果变化规律，结合台架试验数据，揭示掺醇汽油下缸内非常规排放污染物的生成机理、关键影响因素及定量影响规律。在此基础上，从控制角度提出可行的改善掺醇汽油机非常规排放措施，并基于电控单元开发平台完成台架试验验证。本研究对于掺醇汽油机非常规排放控制、整机设计与性能预测具有理论意义与实用价值。

项目针对燃用醇类汽油混合燃料的普通电喷汽油机，通过发动机台架试验研究了醇类组分对汽油机动力性、经济性和排放特性，特别是非常规排放污染物（如醛类、未燃醇类、芳香族化合物等）的影响规律。试验结果表明：在汽油中加入醇类组分能够改善发动机的常规排放，但部分非常规排放物的生成量会上升；醇类组分使发动机动力性有所下降，且油耗升高。为研究掺醇汽油发动机中非常规排放的生成机理，项目在汽油替代燃料以及甲醇燃烧详细机理的基础上，通过敏感性分析以及反应常数变异等方法，构建了适用于掺醇汽油发动机的甲醇汽油燃料燃烧化学反应动力学简化机理。通过激波管、层流火焰速度、流反应器及射流搅拌反应器的相关试验数据对该简化机理进行了优化和验证。优化结果表明：该甲醇汽油燃烧简化机理能够较为准确地计算燃烧过程滞燃期、火焰传播速度和物质浓度变化，并能准确预测主要常规和非常规排放物的生成过程；使用该甲醇汽油燃烧简化机理能够大幅降低反应过程计算成本。项目随后基于AVL BOOST软件构建了掺醇汽油发动机整机工作过程数值仿真平台，并在缸内燃烧模型中调用了甲醇汽油燃烧的简化反应机理，使模型在预测整机性能的同时实现了对甲醛等非常规排放的预测。在根据台架试验数据标定燃烧及排放相关模型基础上，项目基于BOOST整机模型对掺醇汽油发动机结构及控制参数进行了针对性仿真优化。优化结果表明：提高压缩比可以提高甲醇汽油发动机的动力性，但甲醛等排放也会增加，M50燃料的最大压缩比可提高到14；增大点火提前角可在一定程度上提高发动机的动力性并同时减少CO排放量，但NOx、HC及甲醛排放会随之上升。项目同时基于AVL FIRE软件建立了包含进排气过程的缸内燃烧CFD仿真模型，通过FIRE ODE接口实现了燃料燃烧化学反应与缸内流动的耦合计算，并基于台架试验及已有整机性能仿真数据对该CFD模型进行了标定和验证。通过缸内燃烧及流动过程仿真，获取了甲醇汽油发动机缸内燃烧过程的温度分布，物质浓度分布等情况，揭示了关键非常规排放物在燃烧过程中的生成机理。项目最后基于自主研发的发动机管理系统及标定系统对甲醇汽油发动机点火及混合气空燃比调整特性进行了深入的试验研究，获取了点火提前角及空燃比等关键控制参数对掺醇汽油发动机整机性能，特别是非常规排放水平及三效催化器转化效率的影响规律，并给出了控制参数性能优化建议。