摘要
绿色可再生清洁替代燃料是实现内燃机“碳达峰、碳中和”的可行路径之一，乙醇因其高辛烷值，抗爆性好，可再生，生产工艺成熟，被认为是具有广阔应用前景的替代燃料。但乙醇汽化潜热大，低热值较低，发动机应用存在着火困难、燃烧稳定性差等瓶颈问题。因此，本研究针对乙醇燃料直喷压燃着火燃烧过程控制科学问题，提出掺混高活性加氢催化生物柴油(HCB:HydrogenCatalysisBiodiesel)解决方案，通过研究发现正辛醇是乙醇和加氢催化生物柴油的优良助溶剂。在此基础上，本文开展了乙醇-加氢催化生物柴油混合燃料喷雾燃烧过程实验研究，以揭示乙醇/加氢催化生物柴油混合燃料喷雾雾化、着火燃烧特性，并通过设计优化混合燃油喷射策略，实现乙醇发动机压燃着火稳定燃烧，为乙醇/HCB混合燃料在发动机上应用提供理论和实验依据。 本文基于定容燃烧弹和光学发动机分别开展了乙醇/加氢催化生物柴油喷雾燃烧可视化实验研究，探究了混合燃料喷雾、着火、燃烧及碳烟随时空变化特征，研究了实际混合燃料在发动机中燃烧及排放特性，获得了实际混合燃料稳定燃烧和低碳烟排放最佳喷射策略。全文主要研究工作如下： （1）开展了乙醇和加氢催化生物柴油互溶性研究，发现正辛醇是乙醇和加氢催化生物柴油的良好助溶剂，开发了乙醇/加氢催化生物柴油/正辛醇的互溶工艺流程，获得了助溶剂最佳掺混比例为10%，研究了不同掺混比例混合燃油的蒸馏特性，并实现了乙醇/加氢催化生物柴油/正辛醇混合燃油高压喷射。 （2）开发了喷雾、燃烧光学同步测试方法和图像处理程序，探究了不同环境温度，不同掺混比例混合燃油下喷雾、着火及燃烧发展规律。结果表明，在低温条件下，喷雾贯穿距主要受限于蒸发速率的影响，而在高温下，各燃料蒸发速率均较快，燃料在前期的喷雾贯穿距差别不大；在燃烧条件下不同燃料的液相长度随汽化潜热的增加而增加，在相同工况下混合燃料的液相长度表现为E30H60O10gt;E15H75O10gt;D100。汽化潜热和十六烷值在不同环境温度下对着火燃烧影响机制不同，在750K环境温度下，由于E15H75O10较高的汽化潜热，导致其着火延迟期长于D100，但随着环境温度的升高，着火延迟期为E30H60O10gt;D100gt;E15H75O10，各燃料着火速率加快，受汽化潜热的影响不再显著，此时，着火延迟期受十六烷值影响明显。当环境温度从750K增加到900K时，E15H75O10混合燃油着火延迟期减少了81.5%，而当环境氧浓度从15%提高到21%时，其着火延迟期减少50.6%。 （3）采用高频背景光消光法和双色法分别探究了准稳态环境下和瞬态环境下乙醇/加氢催化生物柴油混合燃油碳烟生成规律。试验结果表明：混合燃油中随着乙醇比例的增加，碳烟初始生成时刻延后，且碳烟生成的初始位置也离喷嘴轴向位置越远。相同工况下，D100碳烟浓度比E15H75O10和E30H60O10混合燃料的大，并且随着混合燃油中乙醇掺混比例的增加，碳烟浓度随之降低，乙醇/加氢催化生物柴油混合燃油碳烟生成受温度的影响高于柴油。在瞬态环境下，E30H60O10、E15H75O10两种混合燃料都能实现稳定压燃，在高低碳烟工况下，两种混合燃油均在喷油定时-25°ATDC下，有着最大的碳烟生成量；在相同工况下，相比E30H60O10燃油，E15H75O10燃油有着更多的碳烟生成，E30H60O10在燃烧室内壁处的火焰分布明显较少，乙醇和加氢催化生物柴油合适掺混比例为15:75时有着与柴油相似着火燃烧特性和较低碳烟排放。 （4）构建了乙醇/加氢催化生物柴油/正辛醇混合燃料燃烧反应机理，建立了发动机三维数值模型，基于光学发动机燃烧特性，验证了所建燃烧模型准确性，开展了E15H75O10混合燃油在高碳烟工况下不同预喷时刻和不同预喷喷油量下燃烧及排放数值模拟，发现在预喷时刻-25°ATDC时，燃烧重心更靠近上止点且碳烟、一氧化碳和未燃碳氢排放最小；预喷喷油量占比为20%时，燃烧产生碳烟、一氧化碳和未燃碳氢排放最小。
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