EGR气体中的活性组分对正丁醇/生物柴油RCCI燃烧特性的影响及机理研究

To reveal the influences of active species (CH2O and NO2) in EGR gas on the ignition and combustion process of a n-butanol/biodiesel RCCI engine, the project will be carried out from three aspects using a combination method of shock tube and engine experiments and numerical calculation. First of all, based on the shock tube experimental platform, the influences of different concentrations of CH2O and NO2 on the ignition delays of n-butanol, biodiesel and its blended fuels will be investigate. The chemical kinetic mechanism of n-butanol/biodiesel will be validated and improved. Secondly, based on the engine test bench, the effects of different concentrations of CH2O and NO2 on the ignition delays, the heat release process of low and high temperature, and the combustion efficiency will be studied under different combustion control parameters. Finally, the Converge CFD software, coupled with the combustion mechanism of n-butanol/biodiesel, will be adopted to study the effects of CH2O and NO2 on the fuel combustion reaction path, the formation and evolution of important intermediate components, the ignition and heat release process. Carrying out the research of this project has important theoretical significance for understanding the influencing mechanism of NO2 and CH2O on the combustion characteristics of a n-butanol/biodiesel RCCI engine, and has guiding value for optimizing the EGR control strategy of the internal combustion engine.

为揭示内燃机EGR气体中的活性组分CH2O、NO2对正丁醇/生物柴油双燃料RCCI燃烧模式的着火和燃烧过程的影响及作用机理，本项目拟采用激波管、发动机实验与数值计算相结合的方法，开展三方面的研究：首先，基于激波管实验平台，实验研究不同浓度CH2O、NO2对正丁醇、生物柴油及其混合燃料着火滞燃期的影响规律，对燃料燃烧化学动力学机理进行验证和改进；其次，基于发动机台架，研究不同燃烧控制参数下，CH2O、NO2对发动机着火滞燃期、低温和高温放热过程、燃烧效率等的影响规律；最后，将正丁醇/生物柴油燃烧化学动力学机理与三维CFD软件Converge耦合，系统研究CH2O、NO2掺入后对燃料燃烧反应路径、重要中间组分生成与演化历程、着火及放热过程的影响。开展本项目研究，对深入理解CH2O、NO2对正丁醇/生物柴油双燃料RCCI燃烧特性的影响机理具有重要理论意义，对优化内燃机EGR控制策略具有指导价值。

如何保证废气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR）率和其他燃烧参数协同控制，使发动机在高的热效率下，实现稳定燃烧和低的排放，是活性控制压燃（Reactivity Controlled Compression Ignition，RCCI）燃烧方式研究的关键问题。EGR中的活性组分对燃料着火和燃烧过程有重要影响。本项目采用激波管、发动机台架实验研究和数值计算手段，系统地研究不同掺混比例NO2、CH2O对正丁醇/生物柴油双燃料RCCI燃烧模式的着火和燃烧特性的影响及作用机理。首先探明了NO2、CH2O对生物柴油、正丁醇着火特性的影响规律。激波管试验、反应速率和路径分析以及敏感性分析结果表明，NO2掺入后，促进了CH3自由基等小分子物种的消耗和OH自由基的生成，从而缩短燃料的着火滞燃期；初始温度低于800K时，掺入CH2O主要消耗反应体系中的OH自由基，导致燃料着火滞燃期延长，而初始温度提高到1000K以上，CH2O会促进H2O2的生成，H2O2进一步裂解为OH自由基的量超过CH2O消耗OH自由基的量，使得燃料的着火滞燃期略有缩短。开展了NO2、CH2O对正丁醇/生物柴油RCCI燃烧特性影响的研究。对于正丁醇/生物柴油RCCI，NO2掺入后会使燃料着火时刻提前，而CH2O会推迟燃料着火时刻。深入剖析了不同浓度NO2、CH2O掺入后，对缸压和放热率特征、CA10、燃烧持续期等燃烧特性的影响规律，揭示NO2、CH2O对正丁醇、生物柴油和OH自由基演化历程的影响，并得出燃料氧化过程中反应流的变化。提出了一种在发动机高负荷下正丁醇/生物柴油机双燃料RCCI的新方法，即进气道喷射一定比例的正丁醇，缸内直喷正丁醇与生物柴油的混合燃料，试验研究了不同正丁醇气道喷射和缸内直喷比例下发动机的燃烧和排放特性。通过优化预喷射比例与正时，进一步改善发动机的燃烧和排放特性。