基于燃料氧与环境氧复合作用机制的分层活化可控压燃内燃机瞬态燃烧及颗粒物生成机理研究

In order to realize the High-Efficiency Clean Combustion (HECC) and lower the ultra-fine particles, oxygenated fuels and stratified EGR will be combined together in this study. Meanwhile, the spatial and temporal distribution of element-oxygen and active components will be optimized by adjusting the injection and intake parameters. Consequently, the high-efficiency and clean combustion pattern, Stratification Activation Controlled Compression Ignition(SACCI), will be achieved by coupling the fuel-oxygen and ambient-oxygen. Metal engine, optical engine and CFD modeling will be adopted for the investigation on the chemical reaction kinetics and the production and evolution history of ultra-fine particles when fueled with oxygenated fuels contain various oxygen bonding form. The effect of oxygen concentration gradient and various stratified EGR strategies on combustion and emission will be studied at the same time. Furthermore, the relationship among particle producing history, spatial distribution and burning evolution will be realized.By this way, the effect of stratified activation on transient combustion and particles emission could be revealed. Consequently, we would clearly understand the relationship between element-oxygen and particle formation. Then, it is also possible, by means of experimental investigation and CFD modeling, to improve the transient combustion and to put forward the way to realize SACCI which could reduce the NOx, particles mass and number emission simultaneously by coupling the fuel-oxygen and ambient-oxygen.This study would be useful for developing the PCI/ LTC and make important contribution to the application of oxygenated fuels, reduction of ultra-fine particles and developing the high-efficiency clean combustion strategies.

针对内燃机高效清洁燃烧及超细微粒排放控制目标，结合含氧燃料与分层EGR技术，协调喷油、进气等边界条件，合理分配缸内元素氧及活性组分时空分布，通过燃料氧与环境氧耦合控制实现高效清洁分层活化可控压燃模式。利用台架试验、激光诊断技术及化学动力学分析等手段，深入研究不同氧键合形式及含氧量的含氧燃料燃烧化学反应动力学特性及超细微粒生成、演化历程；EGR分层形式及缸内氧浓度梯度分布对燃烧与排放的影响；缸内颗粒物生成历程、空间分布与火焰发展过程的关系。探索缸内活化分层对瞬态燃烧与颗粒物生成的影响规律及作用机理，阐明燃烧系统中元素氧对颗粒物生成的影响机制，优化瞬态燃烧。提出燃料氧与环境氧耦合控制实现活化分层可控压燃的控制策略及方法，在保证燃烧热效率的同时降低NOx、微粒质量及超细微粒数量排放。本研究有助于发展预混压燃及低温燃烧理论，对含氧燃料应用、发展高效清洁燃烧、降低超细颗粒物排放具有重要理论意义。

本项目针对内燃机高效清洁燃烧及超细微粒排放控制目标，结合含氧燃料与分层EGR技术，协调喷油、进气等边界条件，合理分配缸内氧元素及活性组分时空分布，通过燃料氧与环境氧耦合控制实现了高效清洁分层活化可控压燃模式。本项目基于四气门热力学发动机和光学发动机开发了分层EGR控制系统，建立了分层活化可控压燃发动机试验研究平台；基于光学发动机和定容弹的激光诊断研究平台；多维、多尺度、智能化燃烧化学反应动力学分析平台。通过试验研究和模拟仿真计算的手段，深入研究了不同氧键合形式及氧含量的含氧燃料对于燃烧及颗粒物生成、演化历程的作用机理，EGR分层形式及缸内氧浓度梯度分布对燃烧与排放的影响规律。探索了燃料氧与环境氧对NOx和微粒生成、氧化的竞争作用机制，排放污染物、颗粒物尺寸分布与燃烧过程中元素氧及燃料氧键合形式的相关性。揭示了燃料氧及环境氧耦合作用的燃烧化学反应动力学特性，提出了燃料氧与环境氧耦合控制实现活化分层可控压燃的控制策略及方法，优化了发动机稳态及瞬态燃烧过程。研究结果表明，添加含氧燃料有利于改善发动机的雾化、混合以及燃烧过程，使得缸内碳烟KL因子和颗粒物排放均明显降低，通过含氧燃料与燃烧边界条件的协同控制，能够在较低的总体排放水平下提高发动机指示热效率。含氧燃料能够有效的抑制发动机稳态和瞬态工况下的soot生成，但是NOx排放有不同程度的增加。EGR分层所具有的区域梯度效应能够合理的分布缸内环境氧及活性组分，有效降低缸内高温富氧区域的NOx生成，同时抑制soot的生成。含氧燃料的分子结构对发动机的燃烧和排放特性，特别是soot前驱物的生成有较大的影响，这种影响主要来自于不同分子结构和含氧官能团在燃烧化学反应动力学方面的差异。. 总之，通过燃料氧与环境氧协同作用有利于提高发动机的热效率，同时降低NOx及颗粒物排放。本研究有助于发展内燃机预混压燃及低温燃烧理论，对含氧燃料应用、发展高效清洁燃烧技术、降低超细颗粒物排放具有重要理论指导意义。