柴油引燃天然气发动机燃烧中断机理及控制途径研究

The combustion interruption, too early occurring flame quenching, leads to the deterioration of thermal efficiency and THC emissions increasing dramatically at low loads in diesel pilot-ignited natural gas engines. To achieve high efficiency and clean combustion, the quantitative characteristics, the mechanism and control methods for the combustion interruption of diesel pilot-ignited natural gas engines will be fully investigated in this project. To obtain the quantitative characteristics for diesel pilot-ignited natural gas engines, the external and internal characteristics and the relationship between them will be studied. Necessary condition of mixture combustion reaction and the induction/inhibition of different scales of turbulence at different flame development stages will be investigated. At the same time, with the microscopic morphological characteristics of the flame front and the decisive incentives, the combustion interruption mechanism will be constructed. Build the mapping relation between the sensitive combustion boundaries, including air inlet temperature, fuel injection strategy, chamber geometry, injector parameters, equivalence ratio, EGR rate and so on, and the thermal, chemical and turbulence atmospheres in-cylinder. By cooperative control of the sensitive combustion boundaries, achieve a favorable in-cylinder environment for flame development and propagation and control the combustion interruption. The investigation in this project would provide theoretical foundation for the development of diesel pilot-ignited natural gas engines.

燃烧中断，即缸内火焰传播过早的发生了停滞，导致了柴油引燃天然气发动机低负荷工况时热效率大幅下降，THC排放急剧升高。本项目围绕燃烧中断的定量表征、机理和抑制途径展开深入研究，进而实现柴油引燃天然气发动机高效、清洁燃烧。试验研究发动机燃烧中断的外在及内在表征，及其二者之间的内在必然关联，获得适于评价发动机燃烧中断的定量表征方法。试验研究满足混合气燃烧反应的必要条件，以及不同尺度湍流在火焰不同发展阶段的诱导/抑制规律，结合火焰传播停滞时的形貌特征及其决定性诱因，构建适于柴油引燃天然气发动机的燃烧中断机理。建立进气温度、喷油策略、燃烧室形状、燃油喷嘴几何参数、燃空当量比、EGR率等敏感燃烧边界与缸内热氛围、化学氛围和湍流场的映射关系，从诱导火焰传播停滞的决定性因素入手，通过敏感燃烧边界协同控制，营造有利于火焰发展与传播的缸内环境氛围，有效抑制燃烧中断，为柴油引燃天然气发动机的研究提供理论指导。

为缓解我国石油资源匮乏和需求量大之间的矛盾，迫切需要规划和发展内燃机燃用清洁代用燃料以替代石油基燃料。柴油引燃天然气发动机是以天然气作为主燃料，由少量柴油来引燃，使发动机正常工作。.本项目针对柴油引燃天然气发动机，着重研究了适于双燃料发动机的燃烧评价方法；分析了引燃柴油着火模式对发动机燃烧及排放性能的影响规律；研究分析了两种燃料燃烧过程中的耦合及制约规律；基于敏感燃烧边界与缸内微观燃烧参数场的映射关系，从诱导火焰传播停滞的决定性因素入手，通过敏感燃烧边界协同控制，营造有利于火焰发展与传播的缸内环境氛围，有效抑制燃烧中断，为柴油引燃天然气发动机的研究提供理论指导。.本研究创新性的提出了基于缸压波动的评判柴油引燃天然气发动机燃烧过程评价方法，其指导思想为任何新的物理及化学反应的引入，一定会带来循环变动的增加，本研究系统分析了柴油引燃天然气发动机的缸压变动规律，并提出了关键评价参数，同时分析了不同燃烧边界条件下的缸压波动及评价参数的变化规律。研究结果表明基于缸压波动的评判方法可以获得更多的关于燃烧过程的信息。.研究发现引燃柴油的着火模式直接决定了引燃柴油的着火及燃烧过程，以及随后的天然气燃烧过程，同时发现大幅度前移喷油时刻，引燃柴油经历了类似的准均质压燃着火模式，形成了布满燃烧室局部空间的天然气点火源，使得天然气快速稳定燃烧，这个研究发现打破了原有对柴油引燃的认识和理解，大大提高了发动机热效率，同时大幅度降低了未燃碳氢和氮氧化物排放。.另外，双燃料发动机是两种燃料混合燃烧，为了进一步优化其燃烧性能，两种燃料燃烧过程的解耦尤为重要。本研究深入比对了不同燃烧边界条件下的燃烧过程，定性及定量的分析了两种燃料的燃烧相位，得到了两种燃料相互制约的作用关系，研究发现柴油和天然气两种燃料几乎同时开始燃烧，较短的柴油燃烧持续期对应着较高的发动机热效率。