汽油压燃低温燃烧碳烟生成机理基础理论研究

The soot formation mechanism and corresponding soot emission reduction control strategy within gasoline compression ignition (GCI) low temperature combustion are the key points for the internal combustion (IC) engine combustion theory development. The current investigation will focus on the soot formation mechanism, soot modeling and emission control strategy for GCI combustion mode. Experiments will be conducted on a JSR reactor and a flame burner to study the gasoline fuel chemical characteristics and PAH formation mechanism, while multi-optical diagnostic techniques will be applied on a co-flow partially premixed burner and an optical engine to explore the effects of mixture stratification, turbulence characteristics, heat release and flame structure on the PAH and soot evolution processes, based on which the soot formation mechanism can then be explored and revealed. Based on this, a detailed soot formation model based on advanced turbulent combustion model, gaseous PAH mechanism and population balance equation (PBE) will be proposed and developed for GCI soot formation and emission predictions. The multi-parameter coupling control strategy considering various combustion and emission control parameters, including injection strategy and fuel property optimization, will be studied both experimentally and numerically, with which the soot emission control strategy will then be proposed. The current study will have important theoretical significance on the exploration of the soot formation mechanism for GCI combustion and the development of clean and high efficiency IC engine combustion theory. This project also has important engineering guiding value for the development of effective control strategy to reduce the soot emission of GCI engines.

汽油压燃低温燃烧碳烟生成机理和碳烟排放控制策略是内燃机燃烧理论和技术研究的难点之一。本项目拟针对汽油压燃低温燃烧碳烟生成机理、模型和排放控制策略展开研究。在射流搅拌反应器上开展汽油压燃低温燃烧PAH生成机理研究；在协流部分预混燃烧器和光学可视化发动机上应用多种先进光学诊断测试技术，系统研究混合气分层、缸内湍流、放热规律和火焰结构等对PAH和碳烟生成演化历程的影响，揭示汽油压燃低温燃烧的碳烟生成机理；在此基础上，发展适用于汽油压燃低温燃烧的湍流燃烧详细碳烟生成氧化模型，结合台架试验，开展喷射策略和燃料特性等燃烧和排放控制参数的多参数协同耦合控制策略研究，进而提出汽油压燃低温燃烧碳烟排放控制策略。这一研究对于揭示汽油压燃高预混低温燃烧模式下的碳烟生成机理、提出碳烟排放控制策略和发展内燃机高效清洁燃烧理论具有重要的理论意义和较高的实用价值。

汽油高预混压燃燃烧技术具有在全工况实现高效清洁燃烧的潜力，但在大负荷工况下仍存在热效率、压升率和碳烟排放之间的矛盾。如何在提高热效率的同时降低碳烟排放，是汽油压燃燃烧技术面临的关键瓶颈之一。为此，本项目针对汽油压燃低温燃烧碳烟生成机理和碳烟排放控制策略，围绕汽油类低活性燃料化学反应动力学机理、高预混压燃燃烧和碳烟生成机理和预测模型、以及汽油压燃燃烧和碳烟排放控制策略展开了系统研究。经过四年系统研究，探明了PRF、ERF和TRF等不同辛烷值和敏感性汽油替代燃料的自燃着火、火焰传播和PAH生成特性，揭示了高活性PODE对异辛烷低温氧化过程的作用机制，发现通过调节汽油燃料特性可实现缸内混合气浓度分层和充量活性控制，从而实现对汽油压燃燃烧反应路径和燃烧放热速率的有效调控。建立了基于液滴撞壁形态的喷雾撞壁模型，揭示了近壁分层混合气形成和燃烧机理及其关键影响因素。基于火焰面燃烧模型（FGM）发展了可准确预测多种复杂火焰结构的湍流燃烧模型，发现高预混燃烧存在自燃和火焰传播共存现象，利用燃烧反应边界条件和燃料化学动力学特性控制两者比例可显著影响放热速率，为汽油压燃高预混燃烧调控奠定基础。针对现有半经验现象学碳烟模型进行改进，通过耦合分区法描述PAH生成过程，并对模型中描述碳烟表面积的部分进行修正，可显著改善模型对喷雾燃烧碳烟生成区域和体积分数的预测精度。构建了基于EQMOM方法的详细碳烟模型，采用改进的成核描述机制，准确预测乙烯层流燃烧火焰中碳烟排放的数量密度和尺寸分布，为提出汽油压燃碳烟排放控制策略奠定基础。采用台架实验系统开展了喷射策略和燃料特性等多参数协同耦合对汽油压燃燃烧和碳烟排放的影响机制和规律，并提出了相应的优化控制策略。这一研究对于揭示汽油压燃高预混低温燃烧模式下的碳烟生成机理、提出碳烟排放控制策略和发展内燃机高效清洁燃烧理论具有重要的理论意义和较高的实用价值。