低辛烷值汽油类燃料多段可控压燃模式的基础研究

This project proposes a new combustion mode namely Multiple-stage Controlled Compression Ignition (MCCI) mode for low-octane gasoline-type fuels, such as naphtha and gas condensate which are produced from crude oil distillation and from natural gas wells respectively. These two low-octane gasoline-type fuels are light hydrocarbons with low-carbon number (C4~C8) and used primarily as feedstock for producing high-octane gasoline via the catalytic reforming process or for producing olefins in steam crackers in the petrochemical industry. The main features of the MCCI mode are the alternative combustion processes in the sequence of "spray -combustion -spray- combustion" and the pre-mixture formation after the end of the previous spray as quickly as possible. The heat release of the MCCI mode can be controlled by tuning the injection times and injection ratio to simultaneously achieve the efficient and clean combustion. This project focuses on the measurement and analysis of the components and physiochemical properties of naphtha and gas condensate, the spray behaviour and the formation mechanism and control strategy of multiple-stage pre-mixture and the heat release and pollutants formation mechanism of the MCCI mode. The research work may find a possible approach for the low-cost and rich supplied naphtha and gas condensate to realize the efficient and clean combustion, and can also provide the theoretical support for the MCCI mode.

原油蒸馏和二次加工过程中产生的石脑油和油气田开采过程中产生的凝析油属于低碳汽油类液态轻烃，常用作重整汽油和裂化乙烯的原料。本项目针对这类燃料辛烷值低且挥发性高的特性，提出一种缸内直喷"多段可控压燃"（MCCI）的新型燃烧模式。MCCI模式的最大特点是按照"喷油-燃烧-喷油-燃烧"多段交替模式组织燃烧过程,且每次喷油之后的燃烧尽可能接近预混合燃烧，通过调节喷油次数和喷油比例等来控制燃烧放热速率，从而实现发动机可控的高效清洁燃烧。本项目重点研究适合MCCI模式的石脑油和凝析油的主要组分构成及其理化特性要求、喷雾形态和缸内多段预混合气形成机制与控制策略，以及在MCCI燃烧模式下的燃烧放热规律和有害物生成机理等。研究工作既可以为低成本且资源充足的石脑油和凝析油找到在内燃机上直接地高效清洁利用途径，又可以为申请者提出的新型MCCI燃烧模式提供理论依据，丰富内燃机燃烧理论。

汽油压燃（GCI）模式较传统汽油火花点燃（GSI）模式能够大幅提高热效率，同时较传统柴油压燃（DCI）模式可获得较低的NOx和碳烟排放，是一种理想的内燃机燃烧模式。本项目通过发动机台架试验、光学可视化、数值模拟等方法，对低辛烷值汽油类燃料压燃模式进行了系统深入的基础研究，给出了石脑油、凝析油和汽柴油等低辛烷值燃料的理化特性，提出了一种全新的汽油多段预混压燃（MPCI）模式，揭示了低辛烷值燃料压燃的混合气形成以及燃烧和化学反应机理，并在发动机台架上展示了低辛烷值燃料MPCI所具有的热效率高、碳烟和氮氧化物排放低的优势，为汽油压燃模式在未来发动机的高效清洁应用提供了理论支撑，并丰富了内燃机的燃料喷雾燃烧理论。.本项目取得的具体研究成果如下：.（1）分析测试了典型的低辛烷值汽油燃料石脑油和凝析油的组分和理化特性，同时在热力学单缸机上对比分析了不同辛烷值燃料的燃烧和排放特性，提出了汽油直喷压燃（GDCI）发动机对燃料着火特性的要求。.（2）在定容燃烧弹上对比石脑油、汽油、柴油三种燃料在高背温高背压条件下的宏观喷雾特征包括贯穿距、喷雾锥角等，同时采用消光法和激光诱导炽光法对比石脑油和柴油的燃烧及碳烟生成特性，揭示了汽油类燃料喷雾形态及自燃着火机理。.（3）在热力学单缸机上对比分析了不同压燃模式的燃烧和排放结果，提出了GDCI发动机宽工况范围内低辛烷值燃料的燃烧控制策略，以此为依据在一台四缸压燃发动机上对比分析了低辛烷值燃料和柴油的燃烧排放特性。.（4）采用KIVA-3V进行多维数值模拟解析压燃过程的混合气形成、火焰传播、燃烧放热过程，揭示了GDCI发动机多段预混压燃（MPCI）的混合气形成及燃烧机理。.（5）构建石脑油表征燃料，在快速压缩机上对比石脑油及其表征燃料的着火特性，研究了GDCI发动机燃料的自燃特性。.（6）采用CHEMKIN和详细化学反应机理模拟表征燃料着火过程，分析重要反应路径，并以此为基础构建石脑油表征燃料简化机理，以及GDCI发动机燃料自燃详细化学反应机理。