微柴油引燃高压直喷天然气发动机部分预混燃烧碳烟排放控制机制研究

Utilizing high pressure in-cylinder direct injection as the fuel introduction method, pilot ignition high pressure direct injection natural gas engines have the advantages of high thermal efficiency as well as low HC and NOx emissions over traditional natural gas engine with sacrifices in soot emissions. Partially premixed combustion pattern has the potential to achieve considerable soot reduction without penalties in thermal efficiency, however, the corresponding soot control mechanism is not clear. In the current project, a natural gas/diesel mechanism coupled with PAH formation and growth pathways will be constructed for multiple surrogate fuels based on the key reaction paths in flames of various surrogate fuels; meanwhile, a detailed soot model will be developed for the soot dynamics during dual fuel combustion based on the key species in the gas phase; After the integration of the kinetic mechanism, the soot model, the turbulence model and the equations of heat and mass transfer, a multi-field coupling three dimensional model could be built, based on which, the soot emission reduction mechanism of the partially premixed combustion pattern will be numerically and experimentally investigated from the perspective of the coordination of the proportion for premixed and diffusion combustion as well as the control of the in-cylinder local reactivity with the aid of a engine test bed and soot micro-topography analysis. The research of this project will enrich the theory system for the dynamic transformation process of soot particles in dual-fuel multi-pattern combustion and provide guidelines for the optimization of the combustion pattern and injection strategy in a high pressure direct injection natural gas engine, which means it has certain scientific significance and relatively high application value.

微柴油引燃高压直喷天然气发动机对比于传统天然气发动机在热效率和HC、NOx排放方面有明显优势，但由于采用燃料直喷引入的方式，碳烟排放较高。部分预混燃烧模式有在保证热效率的前提下实现碳烟减排的潜力，但其碳烟控制机制尚不清楚。本课题拟基于多种表征燃料火焰中的关键路径构建耦合PAH生成和生长过程的天然气/柴油多组分表征燃料化学动力学机理；基于气相关键组分建立描述粒子群时空演变的双燃料详细碳烟模型；耦合化学动力学机理、详细碳烟模型、湍流模型和传热传质方程，建立热-流-化多场三维数值模型，以三维仿真为基础配合台架试验和碳烟微观形态分析从缸内空间混合气局部活性调控和预混燃烧/扩散燃烧的比例协调的层面阐明部分预混燃烧模式的碳烟排放控制机制，提出碳烟减排喷射策略。本课题的研究将完善双燃料多模式燃烧过程中碳烟动力学演变规律的理论体系，为直喷天然气发动机燃烧模式优化提供指导，具有一定的科学意义和较高的应用价值。

微柴油引燃高压直喷天然气发动机在热效率和HC、NOx排放方面有明显优势，但碳烟排放较高。部分预混燃烧模式有在保证热效率的前提下实现碳烟减排的潜力，但其碳烟控制机制尚不清楚。本项目将理论分析、热-流-化多场耦合三维工作过程仿真和台架试验相结合揭示了高压直喷天然气发动机部分预混燃烧模式的碳烟控制机制。主要研究内容和重要结果为：.（1）基于解耦法分别构建了天然气多组分表征燃料机理、柴油表征燃料机理大分子部分、PAH生成和生长机理，然后将不同的子机理按照从小分子到大分子的次序集成并添加NOx机理，并对机理滞燃期和关键组分浓度的预测精度在天然气表征燃料火焰和柴油表征燃料火焰中进行了验证，最终完成耦合PAH生成和生长过程的柴油/天然气多组分表征燃料化学动力学机理的构建。.（2）充分考虑小分子燃料和大分子燃料化学反应中间产物的差别并对传统柴油详细碳烟模型进行改进，在碳烟成核子模型中添加二环芳香烃的成核过程，将碳烟成核子模型、碰撞凝聚子模型、表面沉积子模型、表面生长和氧化子模型相结合，实现了对气相-固相相互作用机制以及碳烟生成和氧化过程的描述，完成了双燃料详细碳烟模型的建立。将详细化学动力学反应与双燃料详细碳烟模型、湍流模型和传热传质方程耦合，形成高压直喷天然气发动机热-流-化多场耦合三维工作过程模型。.（3）基于三维工作过程仿真和台架试验，探明了部分预混燃烧模式缸内湍流反应流中当量比分布、局部活性与NOx、CO生成以及碳烟时空演变之间的相互作用关系，揭示了关键喷射参数对预混/扩散燃烧比例、放热过程和排放的影响规律和部分预混燃烧模式的碳烟控制机制。开展了部分预混燃烧模式多工况试验，并将部分预混燃烧模式与传统扩散燃烧模式进行了多工况对比。最终优化后的部分预混燃烧模式在低速、中速和高速工况下，所有负荷碳烟的平均减排比例分别为50.5%、71.0%和11.8%；在所有工况下，部分预混燃烧模式应用后碳烟的平均减排比例为44.4%。.本项目的研究成果可丰富微柴油引燃高压直喷天然气发动机新型燃烧模式化学动力机理、碳烟预测建模及碳烟动力学演变规律的理论体系，为微柴油引燃高压直喷天然气发动机部分预混燃烧模式的喷射策略和燃烧模式优化提供指导，具有一定的科学意义和较高的应用价值。