反应活性控制压燃（RCCI）发动机混合气形成和燃烧过程的机理研究

Because of the introduction of multiple fuels and various mixture preparation strategies, the fuel/air mixing, auto-ignition, and combustion processes in Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) are considerably different from those in conventional engines. First, according to the fact that the spray process in RCCI engines covers the subcritical, transcritical, and supercritical conditions, molecular dynamics simulation is applied to study the influence of the ambient temperature, pressure, and gas composition on the vaporization of multi-component fuels. Then, a multi-component vaporization model is developed for practical fuels including the evaporation, flash boiling, and condensation sub-mechanisms, and the model is further improved based on the experimental data of fuel spray in a constant-volume chamber. Second, Direct Numerical Simulation (DNS) is utilized to analyze the stratifications of temperature, fuel concentration and reactivity on the auto-ignition and combustion processes, then the competition between the spontaneous ignition front and flame propagation is revealed, and a new auto-ignition and flame propagation model is developed for the conditions with the reactivity stratification of multiple fuels. Based on the proposed models, the spray and combustion processes are modeled using the three-dimensional numerical simulation. Assisted by the engine experiment, the influence of the fuel strategy, injection mode, and intake conditions on the mixture preparation and combustion is understood, and consequently the effect of the physical and chemical properties of fuels on the ignition and heat release RCCI engines is explored. The achievements obtained from this project can provide theoretical guidance for the development of RCCI engines.

由于多元燃料、不同混合方式的介入，反应活性控制压燃（RCCI）发动机缸内的混合、着火和燃烧过程与传统发动机呈现出很大的不同。针对RCCI发动机喷油过程涵盖亚临界、跨临界和超临界环境的特点，本项目首先通过分子动力学模拟研究环境温度、压力和气体成分对多组分液滴蒸发的作用机制，提出实用燃料的多组分蒸发模型，同时包括蒸发、闪急沸腾和凝结等子机理，以定容燃烧弹内喷雾实验数据为依据，验证并改进模型。其次，通过直接数值模拟分析温度、燃料浓度和活性的空间不均匀分布对着火和燃烧的影响机制，阐明自燃着火前沿与湍流火焰传播的竞争关系，进而建立适用于多元燃料活性分层的着火和火焰传播模型。在此基础上，开展RCCI发动机喷雾和燃烧过程的三维模拟，辅以发动机台架实验，揭示燃料方案、喷油策略和进气条件对混合气形成和燃烧的影响规律，从本质上阐明燃料物理和化学特性对着火和放热的作用机理，为RCCI发动机的研发提供理论基础。

本研究针对反应活性控制压燃（RCCI）发动机，提出了化学反应机理的自动优化及定量评估方法，基于不确定性分析和全局敏感性分析建立了高预测精度简化机理，提出了适用于不同燃烧模式的壁面传热模型；在此基础上，针对多种燃料、不同控制策略的RCCI发动机开展了数值模拟和实验探究。研究要点概括如下：.1）基于解耦法、遗传算法和不确定性定量化方法，提出了反应速率的自动优化和机理性能的定量评估方法，构建了正戊醇骨架氧化机理。在缩小预测不确定性的同时，提高了宽工况范围内正戊醇在基础反应器和实际发动机中的着火、燃烧和排放特性的预测精度。基于详细机理结构，采用基于反应类/子机理的全局敏感性分析方法，识别对简化目标重要的反应类和子机理。采用斯皮尔曼秩相关系数识别重要反应类中的重要反应，形成简化机理，在降低机理复杂性的同时，保持了详细机理的结构和预测精度。.2）基于壁函数法化简气缸近壁边界层中的控制方程，构建了适用于内燃机的壁面传热模型，针对轻型发动机不同燃烧模式、不同转速条件，通过与实验值以及其他经典壁面传热模型的对比, 避免了热边界层里推导的错误，突出显示了新模型的优势。.3）提出了丁醇浓度分层燃烧和丁醇/柴油活性分层燃烧的优化控制策略，总结了不同燃烧模式下丁醇发动机在着火和燃烧特性上的差异。分别针对甲醇/柴油和汽油/柴油RCCI发动机开展系统优化，挖掘燃油特性与发动机最佳运行参数之间的对应关系，形成基于燃料特性确定RCCI的最佳运行参数的正向设计方法。基于此方法，提出了不同负荷下合成气/柴油RCCI发动机的优化控制策略，通过喷油策略、合成气组分参数以及初始运行参数的配合实现合成气RCCI发动机负荷的拓展。此外，分别探究传统柴油燃烧（CDC）、均质压燃（HCCI）和RCCI三种不同燃烧模式下㶲损失的差异和来源，总结影响㶲损失的主要因素，提出降低发动机中㶲损失的有效途径。.4）探究了可变气门（VVT）策略在重型RCCI燃烧模式中的应用潜力，通过优化计算，在全负荷下得到了性能优越的控制策略，在不采用后处理设备的前提下满足欧VI排放法规以及EPA油耗法规，同时改善燃油经济性。基于RCCI燃烧模式，在全负荷工况下，针对燃烧过程的控制、发动机效率和排放性能的控制以及运行参数选取等方面对VVT和可变压缩比（VCR）策略进行了系统评估。