不同生物燃料与柴油掺混后对低温燃烧过程影响的基础研究

Fundamental investigation on effects of the blend of diesel and biofuels on low temperature combustion will be conducted in this program by combined use of advanced optical diagnostics and engine bench test. Five oxygenated biofuels will be blended with diesel fuel including the conventional and promising biofuels, ethanol, biodiesel, butanol, 2,5-dimethylfuran, gamma-valerolactone. The main content will include the properties analysis of diesel-biofuel blends, the spray characteristics and the concentration distribution of liquid and vapor phase of the diesel-biofuel blends, the flame propagation and the formation and evolvement processes of the important intermediates, free radical and pollutant emissions, and the combustion characteristics, engine performance, regulated and unregulated emissions. The study objective is to explore the effects of the physical and chemical properties of diesel-biofuel blends on the low temperature combustion reaction mechanism, to reveal the dominant biofuel property impacting on the low temperature combustion, and to propose the evaluation method of biofuel that can meet the need of low temperature combustion. This research has important scientific significance on developing low temperature diesel combustion theory. In addition, it also has important engineering application value on searching a better biofuel for the utilization of diesel engines under low temperature combustion conditions and reducing the dependence on fossil energy.

以典型常规生物燃料（乙醇和生物柴油）和新型生物燃料（丁醇、2,5-二甲基呋喃、gamma-戊内酯）为对象，采用多种先进光学诊断技术和台架试验相结合的方法，系统开展不同生物燃料与柴油掺混后对低温燃烧过程影响的基础研究。主要内容包括：柴油与生物燃料混合物理化特性分析；混合燃料低温燃烧喷雾特性和混合气浓度分布特性；混合燃料低温燃烧火焰结构特征以及重要中间产物、自由基和排放物的生成演化历程；柴油机低温燃烧的燃烧特性、性能、常规/非常规排放特性。预期达到的研究目标如下：探明生物燃料与柴油掺混后不同理化特性对低温燃烧反应过程影响机理；揭示对低温燃烧过程具有主导影响的生物燃料特性参数；提出满足低温燃烧过程需求的生物燃料评价方法。该研究对发展混合燃料低温燃烧理论，探寻适合柴油机高效清洁低温燃烧过程应用的生物燃料，减少对化石能源的依赖方面具有重要科学意义和工程应用价值。

本项目主要围绕不同生物燃料与柴油掺混后对低温燃烧过程影响机理开展研究。将燃料理化特性参数依次分离，研究不同燃料特性在宽广EGR范围内对柴油机燃烧和排放的影响规律。研究发现基于试验选用的柴油燃料，成份的改变如芳烃和硫含量降低对燃烧烧和NOx、THC、CO及碳烟排放影响作用很小。燃料沸点和粘度降低，预混放热峰值增大，碳烟排放降低；负荷增大后对碳烟降低作用减小。燃料沸点和粘度在中低比例EGR率下对气体排放影响很小，在高比例EGR下低沸点、低粘度燃料THC和CO排放较高。十六烷值是决定燃烧放热时刻的最重要参数，不同十六烷值燃料在高比例EGR率下对滞燃期影响更显著。十六烷值和含氧是降低碳烟两个决定性因素，孰重孰轻视燃料特性而定，不同十六烷值燃料的气体排放差异很小，只在低EGR率下随十六烷值降低，NOx排放略有升高。正丁醇分子结构较甲醇，乙醇，丁酸/辛酸甲酯和DMF更有效降低碳烟。燃料特性对非常规气体排放影响很小，非常规排放主要受控于EGR率。通过本项目的研究，在基础理论层面，揭示了燃料特性对柴油机低温燃烧的影响规律、并发展了不同燃料的碳烟模型；在应用基础层面，提出了发动机边界条件与燃料特性协同实现高效清洁燃烧的控制策略。项目执行3年来，已发表学术论文15篇，其中SCI收录论文9篇，2篇进入ESI高被引论文，已投稿待发表论文3篇；申请国家发明专利5项，授权国家发明专利2项；培养博士研究生1名，硕士研究生2名。