摘要
环境污染和能源短缺备受关注；柴油车油耗和排放法规日益严格。我国能源结构为“富煤、少气、贫油”，因地制宜发展煤基燃料符合国家发展战略、有助于提高和改善煤炭利用率和应用方式、缓解贫油国情、增加燃料多样性和清洁性。因此，很有必要开展煤基燃料在发动机上的应用研究。 传统化石柴油难以满足新型燃烧模式开发所需理化性质，以煤炭经由费托（Fischer-Tropsch）合成工艺生产的间接液化柴油（煤基F-T柴油）作为调和燃料的基础具有一定优势，应用化石汽油和聚甲氧基二甲醚（Polyoxymethylene Dimethyl Ethers， PODE）进一步对其理化属性进行灵活调和，有望助力轻度分层压燃（Slightly Stratified Compression Ignition，SSCI）的实现，进而提升热效率并降低污染物排放。本文以调和燃料的高效清洁燃烧为目标，在高压共轨增压中冷柴油机上对煤基 F-T 柴油/化石汽油/PODE调和燃料开展了原机控制参数和变参数模式下的SSCI试验及三维数值模拟研究，旨在探索燃料雾化、油气混合及其活性的轻度分层对发动机性能、燃烧和排放的影响。 本文的主要研究内容和结论如下： （1）对基础燃料、调和燃料进行理化性质检测。结果表明：化石汽油添加到煤基F-T 柴油中会降低并拓宽低温馏程区间（T5~T50），降低着火性、密度和粘度，引入芳烃和不饱和烷烃；PODE 添加可以大幅增加燃料含氧量、稀释芳烃含量并提高燃料活性。三者掺混有望以汽油和煤基F-T柴油的高质量热值弥补PODE的低质量热值，以煤基F-T柴油和PODE稀释汽油引入的芳烃和不饱和烷烃，以PODE和汽油进一步增强煤基F-T柴油的雾化和蒸发，通过调和燃料的蒸发、油气混合实现SSCI，并达到节能减排的目的。 （2）研究了化石汽油对煤基F-T柴油燃烧和排放的影响。试验表明：汽油添加增强预混燃烧，削弱扩散燃烧，缸内压力峰值和压升率增加；汽油比例小于 30%，随着汽油比例提高，上述效果增强；汽油添加有助于增加大负荷有效热效率（ Brake Thermal Efficiency，BTE），明显改善中小负荷超细微粒（Ultrafine Particles，UFPs），缓解大负荷定轨压条件下NOx比排放（Brake Specific NOx，BSNOx）和Soot的相悖（Trade-off）关系；但汽油添加导致原机参数下BSNOx增加、大负荷的UFPs恶化。汽油比例、喷油正时和共轨压力对性能和排放存在Trade-off影响。基于数据驱动，结合响应面和多目标遗传算法获得了有效燃油消耗率（Brake Specific Fuel Consumption，BSFC）和排放的帕累托（Pareto）解。结果表明：BMEP在0.64 MPa、轨压为90 MPa、喷油正时为7.75~10.75 °CA BTDC，汽油比例在22%以上可以维持较低BSFC并获得BSNOx和Soot折中较优。 （3）研究了PODE对煤基F-T柴油燃烧和排放的影响。结果表明：PODE热值低， BSFC 增加，为了获得相同扭矩，喷油脉宽延长，预混和扩散燃烧放热率峰值同时降低，扩散燃烧高放热率保持期增加；PODE添加可以改善小负荷BTE，保持大负荷较高BTE，amp;nbsp;降低全负荷工况的CO比排放（Brake Specific CO，BSCO）、Soot和积聚态UFPs，但小负荷核膜态 UFPs 急剧增加，整体呈双峰分布。另外，对比了煤基 F-T柴油/汽油/PODE的 SSCI 和汽油+煤基 F-T 柴油/PODE 的分层充量压燃（Stratified Charge Compression Ignition，SCCI）。结果表明：SCCI的扩散燃烧持续期明显缩短，扩散燃烧速率提高；进气道汽油比例提升，效果增强；可以通过两次喷油来降低相应的压升率；但是，汽油的不完全燃烧导致BSCO和HC比排放（Brake Specific HC，BSHC）严重恶化，BSNOx和Soot可以同时降低，但效果不明显。 （4）为了缓解上述化石汽油掺混煤基F-T柴油导致小负荷BTE下降、大负荷UFPs急剧增加和SCCI模式下存在排放恶化等问题，进行了煤基F-T柴油/汽油/PODE三元调和燃料的SSCI试验研究。结果表明：汽油/PODE的共同添加可以保持全工况较高BTE，明显改善 BSCO、Soot 排放和 UFPs 分布，明显降低积聚态 UFPs 数量，大负荷 BSNOx有所增加，小负荷UFPs依旧呈双峰分布。还发现：喷射正时提前和共轨压力提高都会促使PODE掺混燃烧时积聚态UFPs的大幅降低，核膜态UFPs的急剧增加。 （5）模仿解耦法，提出了“类解耦法”机理简化方法，并构建混合燃料的简化机理。类解耦法选择性地保留燃料、燃料基和中间产物的重要消耗路径，保证简化机理结构紧凑完整并降低指前因子调整难度和幅度。通过类解耦法等简化方法，构建汽油表征子机理（正庚烷、异辛烷、甲苯和1-己烯）、煤基F-T柴油表征子机理（正十二烷和异辛烷）和 PODE3简化子机理。对合并机理（180 个物种，708 个反应式）进行广泛基础燃烧实验数据验证，包括着火延迟期、层流火焰传播速度和物种浓度。结果表明：简化机理性能可靠，预测效果良好，可以很好地用于化学动力学层面的燃烧和排放解析。广义交叉反应研究显示：汽油和PODE添加会改变调和燃料活性，还会影响A1（苯）的生成路径。 （6）进行了三维CFD数值解析和研究。解析发现：汽油的添加会提高油束蒸发率、缸内燃烧温度和活性自由基浓度，对缸内混合气分层和污染物减排有改善。PODE3的加入可以明显改善缸内当量比和温度场分布，特别是燃烧室凹坑处的油气混合状态，提升喷雾蒸发率，增加活性自由基浓度，Soot相关前驱物大幅降低。汽油和PODE3共同加入进一步增强全喷油周期气化率和油气混合分层状态，局部活性自由基浓度进一步增加，燃烧过程更为剧烈，Soot 减排效果提升。两次喷射策略以增强大负荷轻度分层效果的研究表明：大负荷工况下，预喷可以提高稀混合气占比和缸内分层效果，当其与低温反应和压缩温度合理匹配时可保证合适的预混氛围分层，进而提高热效率和实现较好排放水平；仿真结果表明：对于本文的高活性三元调和燃料，预喷正时约为-45°CA ATDC，预喷比例约为10~20%，主喷正时维持原机水平，可以实现综合的节能减排效果。
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