直喷式内燃机燃烧过程‘火用’和‘火用’/功转化率最大化的研究

Based on the understandings that the combustion processes in the internal combustion engines feature inequilibrium in both of thermo and chemistry and the Exergy evolution processes cover three phases of the preparation of reactants, the combustion itself and the exergy/piston work transformation, the proposal research will firstly study and build the model of exergy evolution and the expressions of the related parameters describing the exergy and its transferring in the inequilibrium conditions of combustion engines. Then combined with CFD simulation and experimental study, the exergy evolution and the exergy/work transformation efficiency will be analyzed for the advanced combustion processes in both of efficiency and engine emissions, including HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition ), PPC(Partly Premixed Combustion) and Hden-LWC(High Density and Low Temperature) combustions, so that the effects of the influencing combustion process parameters, including the physical and chemical properties of fuel, the heat and mass transfer properties and the composition of inlet charge, on the evolution of exergy will be abstracted. Finally, for the objectives to approach to the maximizations of the exergy of combustion processes and the efficiency of exergy/work transformation in combustion engines, the positioning of the energy for the combustion initiation, the conditions of restrained combustion and corresponding engine cycles will be designed and proposed.

基于对内燃机燃烧过程固有的热力学和化学非平衡属性的认识，内燃机'火用'演变和转化过程包括3个主要阶段，即混合气（燃烧反应物）生成，燃烧化学反应过程和'火用'/功转化过程。本申请拟针对上述3个过程，研究并建立基于非平衡态热力学和化学动力学的'火用'及相关参数的描述方法和数学模型。在此基础上，结合CFD数值模拟和实验研究，进行包括"均质压燃低温燃烧（HCCI）"，"部分预混压燃燃烧（PPC）"，以及"高密度低温燃烧（Hden-LWC）"等典型的先进内燃机燃烧过程不可逆损失和无效性分析，研究'火用'及'火用'/功转化效率的主要影响因素及演变规律。以'火用'及'火用' /功转化效率最大化为目标，设计燃烧初始条件，研究初始能量设置原理及方法；研究高效燃烧反应的约束条件； 进行上述条件对'火用'/功转化效率影响的研究；探索新型内燃机循环,探索提高内燃机热效率的新途径。

内燃机燃烧‘火用’及‘火用’/功转换过程研究对于实现内燃机高效燃烧有重要意义。基于非平衡态热力学和化学动力学，建立了‘火用’及相关参数的描述方法和数学模型，对三种代表性燃料正庚烷、正丁醇、汽油燃烧过程化学‘火用’损失进行了研究，根据‘火用’损失源特征，均可划分为三个阶段，第一阶段为燃料大分子转变为小分子反应，第二阶段为Loop循环及相关反应，第三阶段为CO，H与O2高温反应。发现‘火用’损失速率与反应持续时间共同决定着各阶段的‘火用’损失，其中反应持续时间占据主导作用。此外，发现高温下的化学平衡也是影响内燃机条件下燃烧过程‘火用’损失的重要因素。探索了内燃机高效燃烧的约束条件，揭示了高压缩比、稀燃对提高内燃机热效率的机理，包括提高初始能量品位降低燃烧‘火用’损失和增大比热比提高‘火用’/功转换效率两个因素。为降低燃烧‘火用’损失，提出了燃料高温无氧重整方法，将初始大分子燃料转变为小分子燃料，同时伴随化学‘火用’增加，重整后的气态小分子燃料利于形成均质混合气，还具备延迟着火特性，因此提出了分子重整压燃燃烧（RM-HCCI）概念。研究了高稀释的汽油HCCI燃烧和RM-HCCI燃烧缸内燃烧‘火用’和‘火用’/功转换效率的影响规律。基于对缸内温度、压力、Φ、氧浓度等热力学状态的控制，可有效调控充量活性，进而对HCCI着火和放热速率准确控制，促进燃烧‘火用’和‘火用’/功转换最大化。汽油HCCI低负荷段主要依靠提高充量温度来提高充量活性，以获得高热效率；中高负荷段需采用大量EGR稀释来降低充量活性，在避免粗暴燃烧的条件下追求高热效率。使用RM-HCCI可提高燃料辛烷值，基于进气门晚关技术降低有效压缩比可降低压缩阶段的温度，两种手段均可降低充量着火活性，减少汽油HCCI高负荷时对高EGR率的依赖，提高混合气比热比，促进‘火用’/功转换，进一步优化中高负荷热效率。通过对‘火用’和‘火用’/功转换最大化的综合优化研究，探索出了汽油燃料高效燃烧的技术途径。