生物丁醇汽油燃料发动机低温燃烧特性的基础研究

本项目以使用理论空燃比混合气的生物丁醇(正丁醇)汽油燃料均质充量压缩着火(HCCI)发动机低温燃烧特性为研究对象，采用试验与数值模拟相结合的方法，在单缸发动机上研究缸内混合气初始分布状态对低温燃烧特性的影响；利用缸内部分气体快速取样和傅里叶变换多组份气体分析仪在线分析方法，研究HCCI发动机低温燃烧阶段中间活性基团的发展历程，建立控制HCCI发动机低温燃烧特性的主要基元反应；利用激光诱导荧光法，在可视化发动机上量化研究生物丁醇-异辛烷混合气浓度和温度分布场，建立缸内混合气分布不均匀性与HCCI发动机低温燃烧特性之间的关系。研究目标在于：通过进、排气门相位和升程控制策略对缸内混合气分布特性的调节作用，揭示缸内混合气分布不均匀性影响生物丁醇汽油HCCI发动机低温燃烧机理；通过缸内活性燃烧中间产物生成规律的分析，阐明生物丁醇汽油HCCI发动机低温燃烧作用机制，为HCCI发动机的开发奠定理论基础。

在单缸发动机上研究了正丁醇-汽油HCCI发动机燃烧与排放特性和HCCI着火时刻的控制方式。结果表明，在相同的进、排气门相位和升程下，随着正丁醇含量的增加，正丁醇-汽油HCCI发动机着火时刻提前，最大压升率增加。排气门早关或过量空气系数增加均可以降低最大压升率，但IMEP降低。增加过量空气系数和推迟排气门相位的协同控制方式，不但可以推迟正丁醇HCCI发动机的着火时刻，降低最大压升率，还能提高指示热效率。在相同的IMEP下，正丁醇HCCI发动机的乙醛排放比甲醛大。. 利用缸内部分气体取样和模拟相结合的方法研究了正丁醇和异辛烷HCCI发动机低温氧化历程及其主要生成路径。结果表明，在正丁醇低温氧化阶段，C2H4、C3H6和C2H2的生成和消耗时刻比异辛烷的早，与此相对应的缸内温度也比异辛烷的低。在正丁醇低温氧化阶段，55.3%的C2H4来源于正丁醇 α位C原子上的脱氢反应路径。而在异辛烷低温氧化阶段， 66.8%的C3H6来源于iC4H9的裂解。. 利用Chemkin软件，构成了正丁醇-汽油替代物的简化反应机理，并模拟了影响正丁醇-汽油HCCI发动机着火过程的关键反应路径和反应机理。结果表明，与汽油替代物相比，正丁醇在低温阶段脱氢反应的路径多，生成的羟基(OH)量多，这是随着正丁醇含量的增加，正丁醇-汽油HCCI发动机着火时刻提前的主要原因。. 利用三维CFD耦合正丁醇-汽油替代物的简化化学反应机理的方法，模拟研究了在不同混合气形成方式下正丁醇-汽油发动机低温燃烧特性。结果表明，在进气道喷射汽油形成均质混合气，缸内喷射正丁醇的混合气形成方式下，在喷油量和正丁醇比例一定时，推迟正丁醇的喷油时刻，发动机的着火时刻推迟，燃烧持续期增加。在缸内喷射正丁醇-汽油混合燃料时，第二次喷油比例对发动机放热过程的调控作用比改变第二次喷油时刻的大；增加第二次喷油比例或推迟第二次喷油时刻均能降低发动机的压力升高率，但在第二次喷油时刻较早的情况下，IMEP下降幅度较小。