基于柴油类燃料-汽油类燃料两阶段顺序高温放热燃烧模式的基础研究

提出一种基于双燃料两阶段顺序高温放热的新型燃烧模式，其工作机理是利用预混合高十六烷值燃料在压缩行程末期释放的热量和活性基来触发和控制上止点附近直喷的汽油类燃料着火与燃烧，使其燃烧历程唯一穿越当量比-温度图上高温、无烟、超低NOx区域。以正庚烷-汽油类燃料为研究对象，从调制汽油类燃料在高温低氧的活化热氛围环境中混合气形成物理时间尺度和着火化学时间尺度入手，定量解析汽油类燃料碳烟生成的临界范围，阐明其碳烟-NOx半岛迁移特性，着重探索旨在拓宽高温、无烟、超低NOx的发动机运行区域的方法。深刻认识热强度、活化强度、运行因素对汽油类燃料着火特性的影响机理，探索后喷料燃烧过程对预混合燃烧产生的排放物的后续氧化效果，揭示全燃烧历程范围内各种排放物生成途径与演化机理。系统研究柴油-汽油双燃料顺序燃烧的着火机理、燃烧路径控制、排放与效率的优化等问题，为发动机全工况范围内实现高效超低排放提供一条新的途径。

近二十年来，国际上提出了包括均质压燃在内多种新型燃烧模式，但是都存在一定的局限性。根据发动机的燃烧过程分析，理想的高效清洁燃烧模式是燃烧路径能够穿越碳烟和氮氧化物生成半岛时间的区域。为此，本项目提出了两阶段顺序高温放热燃烧（Dual-fuel sequential combustion）新概念。首先探讨了汽油类燃料在高温低氧环境下影响着火延迟和混合气形成的主要因素，开展了正庚烷-汽油类燃料（异辛烷、乙醇、丙醇、丁醇）四种组合下的双燃料顺序燃烧特征，发现了高辛烷值燃料在高温低氧（或者活化热氛围）下的三种着火模式，揭示了正庚烷-乙醇在全工作历程范围内实现无烟-超低氮氧化物排放的机理。为了深入探明双燃料顺序燃烧的CO和HC排放生成途径和控制策略，采用三维CFD结合化学动力学开展了数值模拟研究，发现了CO、HC、NOx的生成渠道以及影响因素。此后，开展了正庚烷-汽油双燃料顺序燃烧的研究，并与反应活性控制燃烧(RCCI)进行了比较研究。进一步提出了低反应活性燃料采用两阶段喷射顺序放热燃烧的研究，考察了进气增压、废气再循环对这一燃烧模式的影响，发现了顺序放热燃烧实现超低排放的方法。最后，采用汽油/柴油混合燃料两阶段喷射顺序放热燃烧，结合预混合比例优化、进气增压、废气再循环在全工况范围内实现了超低排放。研究成果发表标注基金资助号的SCI论文9篇，项目负责人也获得国家杰出青年科学基金的资助，获得2013年度国家自然科学二等奖。