摘要
直喷压燃耦合可再生替代燃料因其高热效率、清洁可再生成为内燃机实现高热效率和全生命周期超低排放有效途径之一。戊醇因其可再生、含氧、着火前充分混合成为最具潜力可再生替代燃料。然而，戊醇十六烷值低、汽化潜热较高，低负荷条件下稳定着火燃烧是其面临的关键难题。清洁可再生的加氢催化生物柴油（HCB）具有超高活性，能与戊醇稳定互溶而不分层。因此，本文提出戊醇与超高活性 HCB 理化特性互补的调配技术方案。然而，当前戊醇/HCB 混合燃料稳定着火和燃烧控制机制尚不明确。因此，对戊醇/HCB 混合燃料系统性开展喷雾、着火、燃烧、碳烟生成等方面基础研究，以揭示戊醇/HCB 混合燃料低负荷着火燃烧的影响规律，为建立更加准确的燃烧模型提供理论支撑。论文主要研究内容和结果如下： （1）在定容燃烧弹中，开发了阴影法和颗粒追踪测速同步测量技术，探究不同掺混比例的戊醇/HCB 喷雾宏观及微观特征。研究表明：非蒸发条件下，在液滴破碎之前，混合燃油以大液滴形式存在，喷雾贯穿距呈线性形式快速增长，其喷雾贯穿距主要受运动粘度影响，其次是燃油密度；在液滴破碎之后，混合燃料液滴逐渐细化，贯穿速度减缓，破碎后的喷雾贯穿距受燃油密度影响最大，然后是表面张力。随着 HCB 掺混比例增加，索特平均直径（SMD）增加，其受密度因素影响最大。此外，与柴油相比，HCB 掺混比例高于50%时，混合燃料表现出更低的液滴平均速度，但 SMD增加，雾化变差。 （2）基于可变压缩比发动机，研究不同掺混比例的戊醇/HCB混合燃料的低温氧化特性和着火边界。混合燃料中HCB掺混比例与其低温氧化反应活性呈正线性相关。当HCB掺混比例超过 40%时，混合燃料的低温氧化速率随压缩比的增加而先增大后减小并额外的再次增加。此掺混比例下，混合燃料的低温氧化速率额外的再次增加过程中伴随低温放热现象，进一步当 HCB 掺混比例超过 43.7%时，初始高温燃烧速率急剧增加。这说明HCB 掺混比例的增加促进了戊醇低温氧化活性，并提高了燃烧性能。此外，含有 50%HCB 的混合燃料的着火边界明显低于柴油，表明该掺混比混合燃料比柴油更容易着火。除此之外，还确定了戊醇/HCB混合燃料当量比和进气温度条件下的最低着火边界区域。 （3）采用火焰自发法、OH*化学发光法和消光法研究了着火燃烧特性。随着HCB掺混比例增加，混合燃料的一阶段着火延迟期、二阶段着火延迟期、着火延迟期均缩短，且 HCB 掺混比例的增加导致一阶段着火延迟期在着火延迟期中所占比例逐渐减少，依次为 84%、80%、75%。这表明 HCB 掺混比例的增加，物理混合因素对着火的影响减弱。同时，二阶段着火延迟期在着火延迟期中所占比例逐渐增加，依次为 16%、20%、25%。这表明 HCB 掺混比例的增加强化了化学因素对着火的主导作用。此外，着火延迟期模型表明，对一阶段着火延迟期、二阶段着火延迟期、着火延迟期影响最大的分别是十六烷值、燃油密度、十六烷值。另外，随着混合燃料中 HCB 掺混比例的增加，火焰浮起长度和液相长度缩短，且火焰浮起截面处平均当量比增加，表明混合燃料油气混合变差。 （4）采用化学发光法、激光诱导荧光法探究火焰中油气浓度分布及火焰结构。研究结果表明，随着 HCB掺混比例增加，混合燃料的 OH*/CH*值降低。这说明 HCB掺混比例的增加降低了油气混合的均匀程度。甲醛基和 OH*构建的火焰结构表明甲醛基荧光信号早于瞬态 OH*荧光信号出现，并在后者出现时朝径向膨胀和向轴向下游发展。此外，随HCB掺混比例增加，混合燃料火焰中甲醛基和瞬态OH*的荧光信号初生时刻均提前。 （5）采用消光法和双色法，分别研究了混合燃料在稳态和瞬态条件下碳烟生成特性。在稳态条件下，随着混合燃料中戊醇的掺混比例增加，混合燃料的碳烟初生时刻延迟，碳烟初生位置后移，碳烟浓度显著下降，但下降幅度逐渐减弱。这表明戊醇的加入减少碳烟生成。在瞬态条件下，随着混合燃料中 HCB 掺混增加，着火时刻提前，缸压和放热率增加，低负荷条件下着火燃烧特性得到改善。然而，碳烟生成量呈现数量级增加，而碳烟氧化主导阶段时长占比缩短，且碳烟生成与氧化阶段的相位在燃烧过程中推迟。相对于P20H80，P35H65和P50H50的缸压峰值分别下降了7.8%和20%，而其总碳烟浓度分别下降了94.78%和98.25%。总的来说，P35H65在高热效率和低碳烟排放方面表现出了折中的特性，因此有望成为高热效率和低碳烟排放的可行混合燃料选项。 本研究为直喷压燃模式中戊醇的大比例应用提供了实验依据和理论基础，有望实现内燃机全生命周期的超低排放和高热效率目标。
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