由温度或组分浓度非均匀分布引发的大分子碳氢燃料自着火模态与爆轰波发展研究

Knock is a severe constraint for turbocharging spark ignition engines with high thermal efficiency. It is generally accepted that conventional knock is caused by end-gas autoignition while super knock corresponds to detonation development. On the other hand, local autoignition and complex chemical reaction-pressure wave interaction bring great challenges to ignition/combustion controlling in HCCI engines. In order to fully understand the knock mechanism and to develop mature and reliable HCCI engine technologies, comprehensive studies on autoignition modes and detonation development of large hydrocarbon fuels are needed. With the application background of efficient combustion technologies of spark ignition engines and HCCI engines, the present project combines numerical simulation and theoretical analysis to study autoignition and unconventional combustion processes of large hydrocarbon fuels induced by temperature or composition inhomogeneity. It aims to identify different autoignition modes and reveal the corresponding mechanisms. The effects of low-temperature chemistry and various critical physical and chemical factors on autoignition and detonation development will be revealed. Based on that, a comprehensive criterion for detonation development for large hydrocarbon fuels will be established. The results of the present project will provide scientific basis for advanced combustion technologies of spark ignition engines and HCCI engines, and help to develop fundamental combustion theory on autoigntion and unconventional combustion modes.

敲缸是制约高热效率增压汽油机技术发展的瓶颈。敲缸分为普通敲缸和超级敲缸。一般认为普通敲缸由末端气体自着火引发，而超级敲缸则对应有爆轰波发展过程。另外，混合物局部自着火和复杂的化学反应-压力波相互作用对HCCI内燃机的着火和燃烧控制带来巨大挑战。为了深入认识敲缸的产生机制，发展成熟可靠的HCCI内燃机技术，需要系统地研究大分子碳氢燃料的自着火模态与爆轰波发展过程。本项目以汽油机和HCCI内燃机高效燃烧技术为应用背景，采用数值模拟和理论分析相结合的研究手段，研究温度或组分浓度非均匀分布引发的大分子燃料自着火与非常规燃烧过程，将获得不同的自着火模态及其产生规律，揭示低温化学反应以及各种关键物理化学因素对自着火与爆轰波发展过程的影响，并在此基础上建立预测大分子燃料出现爆轰燃烧的综合判据。研究结果将为先进汽油机和HCCI内燃机燃烧技术提供科学依据，同时也有助于发展自着火与非常规燃烧模态方面的基础燃烧理论。

本项目以汽油机和HCCI内燃机高效燃烧技术为应用背景，采用数值模拟和理论分析相结合的研究方法，按照计划书方案对存在温度或组分浓度非均匀分布条件下的大分子燃料的自着火与非常规燃烧过程开展了系统的研究。在燃烧理论、研究方法、应用基础等方面取得了一定的成果。本项目开发了适用于两相流的燃烧自适应数值模拟程序，对多尺度燃烧过程开展了高效精确数值模拟；获得了由温度或组分浓度梯度引发的不同自着火模态的特征及其产生规律；揭示了影响大分子燃料自着火过程的关键物理化学因素；发展了定量描述和研究大分子燃料自着火模态的理论与方法。重要研究结果包括：揭示了组分浓度梯度引发大分子燃料自着火与爆轰波发展的机制，发现局部NO浓度梯度会导致包括爆轰在内的不同自着火模态的产生，因而在应用尾气再循环技术的内燃机中，NOx在缸内局部位置的聚集也可能引发超级敲缸现象；提出了基于自着火反应面实际传播速度的无量纲参数ξa，来定量描述与研究包括爆轰在内的不同自着火模态，该参数与以往文献中的对应参数ξ相比更具优越性，也更能直接揭示化学反应-压力波相互作用对自着火过程的影响机制；揭示了贫燃和稀释对大分子燃料自着火过程的影响机制，发现激发时间是控制化学反应-压力波耦合作用与爆轰波发展的关键因素；揭示了水蒸汽掺混对大分子燃料自着火过程的影响机制，揭示了自着火过程中影响水滴蒸发的关键因素，建立了考虑水滴特性(液滴大小、数密度)的大分子燃料自着火模态的定量判据；揭示了低温条件下，拉伸率对大分子燃料非预混多步着火及负温度系数特性的影响机制。本项目发展和完善了大分子燃料自着火和非常规燃烧的基础理论与计算方法，研究结果为先进汽油机和HCCI内燃机的工程研发提供了理论指导和科学依据。