丁醇-柴油双燃料高效低污染燃烧机理及排放控制的基础研究

采用进气道喷射丁醇和缸内多脉冲直喷柴油的双燃料复合喷射技术，动态控制缸内混合燃料特性，根据工况组织低温燃烧和分层压燃燃烧，以实现丁醇-柴油双燃料在发动机全工况的高效低污染燃烧。其主要研究内容包括：采用台架试验、CFD多维模拟和激光诊断技术研究丁醇气道喷射、柴油多脉冲喷射均质或分层混合气形成机理；研究丁醇-柴油缸内/缸外混合燃料低温燃烧机理及有害排放生成机理和控制；研究大负荷工况柴油分层压燃燃烧结合丁醇稀均质燃烧复合燃烧机理及有害排放生成和控制机理；研究发动机设计参数及运行参数对燃烧过程和排放的影响。这些研究为建立双燃料复合喷射混合气形成理论、揭示双燃料低温燃烧或分层压燃燃烧复合燃烧反应机理、实现丁醇燃料的高效清洁替代和柴油机全工况的高效低污染燃烧具有重要的理论意义。为推动丁醇在内燃机中的应用，充分利用我国的农业优势、保障我国的能源安全和培养新的经济增长点具有重要的经济意义和战略意义。

本研究提出了采用两种技术途径实现丁醇燃料在柴油机中高效清洁燃烧的新方法。其一是在柴油中直接掺混丁醇，通过丁醇-柴油混合燃料缸内直喷方式，实现丁醇-柴油在高比例EGR下的低温燃烧模式；其二是气道喷射丁醇和缸内直喷柴油相结合，通过控制丁醇/柴油喷射比例和EGR率，组织低温燃烧或复合燃烧模式（丁醇均质压燃燃烧结合柴油的稀扩散燃烧），以实现丁醇-柴油双燃料的高效清洁燃烧。通过上述途径，研究了丁醇应用在柴油机中的可行性及两种燃料混合比例的影响机理，研究了丁醇-柴油混合燃料缸内直喷混合气燃烧机理、有害排放生成机理及主要影响因素，研究了气道喷射丁醇结合缸内直喷柴油复合喷射燃烧机理、有害排放生成机理及主要影响因素。结果表明，采用高比例丁醇-柴油混合燃料（40%比例丁醇），结合中等比例的EGR率，可以同时实现极低的NOx和烟度排放水平，并保持发动机较高的燃油经济性，但与纯柴油燃烧相比，其高负荷压力升高率升高，低负荷HC和CO排放增加；采用丁醇气道喷射和柴油缸内直喷复合喷射燃烧方式，根据工况调整双燃料比例，结合EGR，实现不同工况燃烧模式的灵活控制，同时显著地降低NOx和烟度排放，但相比缸内直喷方式，其HC和CO排放高，燃烧热效率低。本研究还从理论上对丁醇高效清洁燃烧新途径进行了研究，发展了内燃机边界条件下的丁醇-柴油简化反应动力学机理，并与CFD模型耦合进行了丁醇燃烧新途径燃烧反应机理及有害排放生成机理的研究；应用CFD数值模拟，研究了丁醇-柴油双燃料不同喷射途径下的混合气形成机理、浓度分布特性及对燃烧排放影响机理。