增压直喷汽油机爆震和颗粒物排放特性与控制策略研究

摘要

爆震燃烧和颗粒物排放是增压直喷汽油机高负荷面临的两个重要技术问题，也是制约以高增压小型化和高几何压缩比为特点的下一代直喷汽油机发展的重要因素。爆震直接影响直喷汽油机增压比和小型化程度，以及几何压缩比提高的幅度，是和整个发动机循环工况燃油经济性密切相关的非正常燃烧。颗粒物排放，特别是颗粒物数量的排放是增压直喷汽油机面临的一个新的课题，越来越严苛的针对汽油机颗粒物的排放法规对增压直喷汽油机的开发提出了新的更大的挑战。在这一背景下，本文将提出抑制增压直喷汽油机爆震和颗粒物数量排放的新策略和新方法作为研究目标，采用发动机试验和理论计算相结合的方法，在深入评估发动机运行参数对爆震和颗粒物排放影响规律的基础上，提出了利用“外部冷却EGR实现废气稀释燃烧”和“多次喷射策略实现当量比混合气浓度分区燃烧”解决这两个问题的技术思路，对其抑制机理和实际效果进行了深入的研究。
　　发动机运行参数对爆震影响规律的试验研究表明，低温燃烧、偏稀或偏浓燃烧、推迟喷油以及混合气非均匀混合均可以实现对爆震的抑制。而对颗粒物排放而言，低温燃烧、偏稀燃烧和混合气的均匀燃烧对实现颗粒物的低排放有效。适当增加喷油压力和优化喷油时刻是实现直喷汽油机低颗粒物排放的重要手段。
　　本文对外部冷却EGR在增压直喷汽油机爆震起始点预测模型、通过爆震抑制提高几何压缩比以改善热效率以及颗粒物排放抑制方面进行了系统的试验与理论研究。研究表明，在爆震预测中获得广泛应用的Douaud-Zyzat模型可以很好地预测无EGR或EGR率小于5％的爆震工况，但在EGR率大于5％的情况下，模型计算的爆震起始点比试验值要提前，且随着EGR率的增加，提前的幅度也越来越大。为此，基于爆震试验数据和Livengood-Wu积分公式，提出了考虑外部冷却EGR影响在内的增压直喷汽油机爆震起始点预测模型，该模型不仅在无EGR的情况下体现了较好地爆震预测性能，而且在EGR率为2-25％的范围内均实现了较好地爆震预测性能。相比自然吸气汽油机，增压汽油机由于爆震的限制不得不设计较低的几何压缩比，这使得增压汽油机燃油经济性改善的幅度受到限制。为了更好地评估外部冷却EGR通过抑制爆震而提高增压直喷汽油机几何压缩比的潜力，采用试验和理论计算相结合的方法，研究并阐明了EGR结合高几何压缩比在低负荷、中负荷以及高负荷下改善发动机热效率的潜力和机理。结果表明，外部冷却EGR可以有效弥补高几何压缩比在高负荷工况由于爆震导致的热效率恶化的问题。相比没有外部EGR的基准发动机（几何压缩比为9.3），18-25％的外部冷却EGR结合高几何压缩比10.9可以实现2.1-3.5％的有效热效率改善（即6-13％的油耗改善）。在低负荷和高负荷工况下所有影响热效率的因素中，理论热效率的提高（γ和几何压缩比的影响）是热效率改善的最主要原因，而由于燃烧温度降低(EGR的影响)导致的传热损失下降是第二重要的因素。在全负荷加浓工况，取消混合气加浓（EGR的影响）而导致的燃烧效率上升是热效率改善的首要原因。本文的研究结果同时表明，外部冷却EGR是抑制增压直喷汽油机高负荷颗粒物排放的有效手段，其对颗粒物的降低幅度可达50％。借助三维CFD模拟计算发现，颗粒物随EGR率增加而降低的主要原因是缸内生成碳烟的区域，特别是活塞顶面局部燃烧温度的降低而导致的颗粒物生成的抑制。
　　本文提出了基于多次喷射的当量比混合气浓度分区燃烧抑制爆震和颗粒物数量排放的策略。两次喷射策略（部分燃油在进气冲程喷射，其余的燃油在压缩冲程喷射）是实现爆震强度抑制的一个有效方法，但其在爆震抑制的同时会导致燃烧效率的下降和颗粒物排放的恶化。为此，本文的试验结果表明，三次喷射策略（第一次喷射在进气冲程完成，第二和第三次喷射在压缩冲程完成）可以在保持爆震抑制性能的基础上，避免燃烧效率的急剧恶化和油耗的急剧上升，但其对颗粒物数量排放的抑制能力有限。研究表明，相比单次喷射，在进气冲程完成喷射的三次喷射策略可降低颗粒物数量排放达80％。借助三维CFD计算，阐明了均在进气冲程进行的多次喷射中喷射时刻和喷射比例对颗粒物数量排放的机理。结果表明，降低第一次喷射量并增加喷射次数可以有效避免燃油碰壁量和促进油气均匀混合，从而降低颗粒物数量排放。在此基础上，提出了利用四次喷射（第一次喷射在进气冲程完成，其余三次在压缩冲程完成）同时实现爆震抑制和颗粒物数量排放的下降，并兼顾燃烧效率的新方法。试验结果表明，四次喷射策略可以在爆震抑制和降低颗粒物数量排放45％的同时，保持较好的燃烧效率和燃油经济性。

目录

声明

摘要

符号及缩写

第一章 绪论

1．1 研究的背景与意义

1．2 直喷汽油机技术路线发展分析

1．3 小型化高增压直喷汽油机面临的主要技术障碍

1．3．1 增压直喷汽油机面临的问题之一：爆震

1．3．2 增压直喷汽油机面临的问题之二：颗粒物排放

1．4 本课题的提出及主要研究内容

1．4．1 本课题的提出

1．4．2 本文主要研究内容

第二章 试验及数值模拟方法

2．1 试验设备及试验分析方法

2．1．1 试验设备

2．1．2 试验分析方法

2．2 数值模拟方法

2．2．1 一维模拟计算

2．2．2 三维模拟计算

第三章 发动机运行参数对高负荷爆震和颗粒物排放的影响

3．1 引言

3．2 发动机运行参数对高负荷爆震的影响

3．3 发动机运行参数对高负荷颗粒物排放特性的影响

3．3．1 PFI、SIDI汽油机与高压共轨柴油机颗粒物排放特性的比较

3．3．2 发动机运行参数对SIDI、PFI汽油机颗粒物数量和粒径分布的影响

3．4 基于发动机运行参数的颗粒物排放抑制的对比分析

3．5 本章小结

第四章 利用外部冷却EGR抑制高负荷爆震和颗粒物排放

4．1 引言

4．2 外部冷却EGR稀释燃烧的爆震起始点预测模型开发

4．2．1 爆震起始点预测模型背景综述

4．2．2 试验工况及试验方法

4．2．3 Douaud-Eyzat爆震模型性能评估

4．2．4 包含外部EGR的爆震起始点预测模型的提出及验证

4．3 外部冷却EGR对爆震抑制的作用

4．3．1 研究方法

4．3．2 提高几何压缩比导致的爆震恶化

4．3．3 外部冷却EGR对爆震的抑制

4．3．4 高几何压缩比情况下外部冷却EGR对爆震抑制的作用

4．4 外部冷却EGR实现废气稀释燃烧抑制颗粒物的排放

4．4．1 试验方法

4．4．2 外部冷却EGR对高负荷颗粒物抑制效果及机理分析

4．5 本章小结

第五章 利用多次喷射策略抑制高负荷爆震和颗粒物排放

5．1 引言

5．2 利用多次喷射策略抑制爆震

5．2．1 试验方法

5．2．2 两次喷射策略对爆震的影响

5．2．3 三次喷射策略对爆震的影响

5．2．4 两次与三次喷射作为爆震抑制策略的燃烧与排放性能比较

5．3 利用多次喷射策略抑制颗粒物数量排放

5．4 利用四次喷射策略同时抑制爆震和颗粒物数量排放

5．5 本章小节

第六章 总结和展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

创新点说明

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和申请的发明专利