汽油燃料替代混合物低温燃烧反应动力学及光学诊断研究

本研究以我国商用汽油为对象，综合应用实验和理论分析手段开展汽油机高效低温燃烧中汽油燃料替代混合物反应动力学及光学诊断研究。研究针对我国汽油的特点选择替代混合物组分，利用数学统计的反应曲面法（RSM）确定替代混合物各组分的比例并进行实验验证，确定最终的混合比例；在各组分详细机理的基础上，发展替代混合物的详细化学动力学模型，其中重点关注各组所产生的中间产物间的相互作用机理以及NOx与燃烧中间产物的作用机理。通过全新的PFA（Path Flux Aanlysis）算法简化得到研究条件下可靠的简化动力学模型。在建立高效高精度湍流模型的基础上，将替代混合物简化动力学模型与三维CFD模型耦合并利用光学诊断实验结果对耦合模型进行验证。最后，利用光学诊断与数值模拟相结合，研究和理解微观尺度下的物理（浓度、温度）化学（废气、空气、燃料）因素的耦合过程，揭示着火的发生、燃烧的效率、有害产物的生成等主要规律。

本项目开展了汽油机高效低温燃烧中汽油燃料替代混合物反应动力学模型研究并在激波管、发动机及光学发动机条件下对模型进行了有效性分析。研究根据汽油燃料成分分析及国内外前期研究，将基本的替代混合物确定为由正庚烷、异辛烷和甲苯组成甲苯掺比燃料（Toluene Reference Fuel, TRF）。研究在数学统计的反应曲面法（RSM）基础上，提出了二阶数学模型和三阶数学模型用于确定混合物组分比例，结果表明三阶模型在很大的范围都能够准确拟合替代混合物不同的组分比例与辛烷值（马达法和研究法）的响应关系，利用三阶模型确定替代混合物组分比例，可以使替代混合物除了C/H和研究法辛烷值外，马达法辛烷值也能与实际汽油燃料匹配。在各组分已存在的化学动力学模型的基础上，发展了甲苯掺比燃料的简化动力学模型，其中包括反应物间的交叉反应以及NOx生成子机理和PAHs生成子机理；动力学模型的验证分为两部分：第一部分是将计算结果与TRF为燃料的激波管、低温燃烧发动机的着火延迟、缸内压力等实验数据进行对比，结果表明计算结果能够与实验结果很好的吻合；第二部分是将RSM三阶模型优化组分比例与化学动力学模拟结合，将计算结果与实际汽油燃料的激波管、低温燃烧发动机等得到的着火延迟、压力等数据进行对比，结果表明应用RSM三阶模型后，计算结果能够更好的与实际汽油燃料的实验结果吻合。最后，将三维CFD模型与化学动力学模型进行耦合，并用光学诊断实验结果对耦合模型进行验证。结果表明在整个反应过程中甲醛缸内浓度变化时刻都与实验结果吻合，此外，甲醛和甲苯的质量分数随曲轴转角的变化也与实验结果吻合较好。综上所述，本研究对甲苯掺比作为汽油燃料替代混合物的组分比例确定和简化动力学模型进行了较深入研究并进行较全面的有效性分析。与当前的常用的PRF替代汽油燃料和四种及以上组分的复杂替代混合物相比，本研究通过结合优化组分比例，得到了更实用更准确的汽油燃料替代混合物化学动力学机理。