高原环境下高效低排放柴油机进气设计与燃料设计的耦合研究

Coupling of diesel engine's fuel design concept and intake air design concept can improve the NOx and soot emissions in low pressure and low oxygen content of atmospheric conditions significantly, the thermal efficiency and power has also been improved and allowed to use various fuels. But mixing the multi-fuel and the multi-component intake-air simply is hard to make gas and fuel coordination effectively, the each engine performance trading off and taking turns, and engine's high altitude environment adaptation reduced. The project is intended to study based on the high-pressure common rail diesel engine, combined the fuel design of alcohols, bio-diesel, DME, petroleum diesel with the intake designed of EGR, oxygen and air to carry out fuel and gas mutual coupling and coordination effectively in plateau environment. Aim to improve the thermal efficiency and reduce pollutant emissions, various fuels with different physical and chemical characteristics are coupled with intake O2, CO2, air and boost. The coupling can make the gas and fuel's respective advantages complementary to each other, and develop the optimization of combustion process and control strategy. Based on the theory of engine combustion, study the influence of the combustion process by different intake components and mixed fuel's physical and chemical characteristics, oxygen content, cetane number and volatile, then look for the best control strategy for high efficient combustion and clean emission in high altitude environment. This study has great academic value of exploring the plateau internal combustion engine combustion theory.

对高原环境下柴油机进气设计与燃料设计进行耦合，可显著改善柴油机在低气压、低氧含量大气条件的NOx与碳烟排放，还能提高热效率、增加功率和容许使用多种燃料。但是将多燃料与多组分进气简单混合，未经优化与耦合的情况下，难以使其有效协同，并会导致发动机各项性能此消彼长，高原适应性下降。本申请项目拟以高压共轨柴油机为研究对象，针对醇类、生物柴油、DME、石化柴油进行燃料设计，结合EGR、O2及空气的进气设计，开展适应高原环境的内燃机进气、燃料设计相互耦合，高效协同的研究。以提高内燃机热效率、降低污染物排放为目标，提出不同组分、不同理化特性燃料与不同进气O2、CO2含量及进气增压量的耦合，形成优势互补的燃烧过程优化与控制思想。从燃烧理论出发，探索燃料理化特性、含氧量、十六烷值、挥发性与不同进气组分等多变量对燃烧过程的影响规律，寻求高原环境下高效清洁燃烧最佳控制策略。对探索高原内燃机燃烧理论具有重要意义。

随着海拔高度增加，大气压力与大气氧浓度快速减小导致传统车用内燃机的性能与排放特性显著降低。为解决高原内燃机热效率与排放（尤其碳烟）变差的关键科学问题，本项目提出以高压共轨柴油机为研究机型，开展适应高原柴油机的进气与燃料设计相互高效协同的耦合研究。项目主要研究内容和研究结论主要体现如下：（一）研究并揭示了不同海拔大气压力、不同进气组分（包括EGR主要组分H2O和CO2）以及EGR三效应（稀释效应、热效应和化学效应）对高原环境下柴油机工作过程、有害排放物（尤其碳烟及其前驱物）生成的影响规律与作用机理，为高原环境下柴油机的进气优化设计提供依据；（二）研究并揭示了不同种类生物柴油、不同十六烷值与含氧量的醇醚类（正丁醇、戊醇、以及2,5-二甲基呋喃和聚甲氧基二甲醚）/柴油混合燃料以及低十六烷值含氧燃料耦合EGR对高原环境下共轨柴油机性能与排放的综合影响规律。研究表明，燃料十六烷值是控制柴油机着火滞燃期的关键因素，扩展的着火延迟期和增加的燃料氧（原子氧）是降低EGR参与燃烧过程中碳烟颗粒生成的两个关键因素。在石化柴油中掺混高比例低十六烷值含氧燃料可显著降低碳烟，但会导致发动机压力升高率过大。上述相关研究结论为高原环境下柴油机燃料特性优化设计提供依据；（三）构建了纯生物柴油、生物柴油/醇类、柴油/醚类多种混合燃料的化学动力学简化模型，建立了基于多组分替代物的混合燃料简化机理构建原则与方法；（四）从燃料特性设计与进气优化耦合角度出发，提出了通过发动机进气高增压（采用两级增压技术或可变截面增压技术）、燃料特性改性（采用低十六烷值含氧燃料）与耦合中等强度EGR（EGR率<40%），并合理控制燃料掺混比（掺混比<30%）与燃烧相位CA50的多缸柴油机高效与低排放燃烧综合控制策略。项目研究成果将对发展高原内燃机燃烧机理具有重要理论意义，同时对高原环境下国6柴油机的工程开发提供科学理论依据与技术指导。