反应控制的均质混合气梯级自燃燃烧模式研究

In order to solve the problems of the contradiction between the nitrogen oxides and particle, unstable combustion process, narrow range in application conditions, so much incomplete that the existed combustion products, a novel combustion called ‘auto-ignition controlled by homogeneous mixture of sequence combustion’ has been putted forward on the basis of the earlier results and other scholars’ similar research: This combustion employs several single component fuels which are much different in spontaneous combustion situation to be mixed into homogeneous mixture to make use of working medium heat and chemical atmosphere of the compression process in internal combustion engine to control auto-ignition time of each component and quantity of heat. The mode takes advantage of ‘homogeneous mixture’ to solve the contradiction between nitrogen oxides and particle, makes use of the ‘critical spontaneous combustion boundary’ to stabilize combustion process, utilizes the ‘sequence combustion’ to control the heat releasing rough and expands condition. This project will research: (1) auto-ignition boundaries and cross coupling mechanism of each typical and single component fuel or homogeneous mixture; (2)auto-ignition, sequence combustion, combustion process, pollutant formation and transforming mechanism during the combustion of fuel with single component or mixture of several components; (3)the key science problems about migration mechanism of microscopic field in the actual thermal process of internal combustion engine and its compatibility with ‘critical spontaneous combustion boundary’. It has great value to analyze the feasibility evaluation of sequence auto-ignition mode under homogeneous mixture and specificity of auto-ignition in limited boundary condition of homogeneous mixture.

针对现存燃烧模式各自所存在的氮氧化物-微粒矛盾性、燃烧过程不稳定、适用工况窄、不完全燃烧产物多等问题，在前期成果和其他学者相近研究基础上提出了“反应控制的均质混合气梯级自燃”概念：利用几种自燃性差异较大的单一成分燃料和空气制备均质混合气，以内燃机压缩过程中缸内工质热、化学氛围控制各组分的自燃时刻和放热量。该模式利用“均质”解决氮氧化物与微粒的矛盾、利用“临界自燃边界”稳定燃烧、利用“梯级”放热控制粗暴、拓展工况。本课题将研究：1）各典型单一成分燃料/均质混合气临界自燃边界阈度及其交叉耦合机制；2）单一成分燃料/几种成分燃料均质混合气自燃/梯级自燃热力过程、燃烧历程、有害物生成及转化机制的特异性；3）内燃机实际热力过程缸内微观场迁移机制及其与“临界自燃边界”适配性等关键科学问题。所得到的规律性和燃烧机制对梯级自燃模式可用性评价、高效清洁车用内燃机燃烧模式丰富和燃烧过程优化具有重要的参考价值。

本项目旨在探讨在均质混合气前提下反应控制燃烧模式（HC-RCCI）的可行性及其燃烧过程特异性。核心内容包括：1）自燃边界差异度较大的均质混合气（燃料、燃空当量比、空间浓度、热力学温度等）燃烧过程化学动力学特性及燃烧完全性、燃烧产物清洁性的探讨；2）不同燃料自燃边界差异度与缸内场不均匀的适配性，即在内燃机中实现均质混合气梯级燃烧可行性的评价。项目构建了含有不同组分（官能团）的常用燃料单组分/多组分交叉化学动力学简化模型并利用所开发的全参数精确可控定容燃烧弹进行了验证，基于自主开发的仿真模型和燃烧弹海量实测数据详细开展了不同氛围下均质混合气起燃边界、燃烧反应途径、燃料官能团与产物关联性、主要有害物及其前驱物的演化与发展机制、交叉组分燃烧耦合特性等科学问题的研究。以相关成熟机理、算法、模型为基础，以海量数据归纳、关键指标验证为手段，提出并部分验证了均质混合气稀燃极限预测算法、不同官能团混合燃料简化化学动力学模型、负温度系数抑制机制、基于燃料活性的燃烧过程优化方法、主导反应物/官能团/活性键位空间浓度（密度）与自燃条件的相关性等方法和机制，分析了单组分/两组分/三组分燃料的活性梯度对均质混合气自燃着火、火焰维持过程/火焰结构和排放物生成的影响，探讨了均质混合气临界自燃边界耦合机制，确定了具有实现均质充量自燃燃烧模式梯级燃烧的燃料构型。项目研究内容和成果为丰富和变革起燃判据、燃烧模式判定（局部淬熄、火焰传播、区域自燃/爆震）提供了详实的数据和有效的手段。同时，基于高速内燃机缸内场离散度与全样本空间燃料起燃边界阈值差异度明确了HC-RCCI的应用限制及适用领域。上述创新体系可为均质/准均质燃烧模式下的模式判定、发展历程优化、有害产物控制、能量转化完全性提升提供普适性的参考和借鉴。