DME微火源对汽油机高稀释混合燃烧调控机理研究

摘要

火花点火-可控自燃(SI-CAI)混合燃烧，在高废气率条件下面临调控燃烧放热能力下降和循环变动加剧的问题。针对该问题，本课题组提出了二甲醚(DME)微火源引燃的概念，即通过在缸内直喷少量DME形成微火源，利用高能量的微火源取代火花点火引燃汽油混合气，促进和控制混合燃烧。本文重点研究了高废气率下 DME微火源对混合燃烧放热过程的调控机制以及对循环变动的抑制作用，并发展了微火源引燃混合燃烧的着火预测模型。研究结果可为汽油机高稀释混合燃烧控制和循环变动抑制提供基础依据。 首先，建立了光学发动机试验平台，并结合计算流体力学(CFD)以及化学反应动力学仿真，研究了DME喷射时刻对微火源分布的影响及其对着火燃烧的影响规律。结果表明，受 DME喷雾缸内混合过程的影响，直喷时刻早于40℃A BTDC时,DME喷雾表现为离散型分布，而在晚于40℃A BTDC时则呈现集聚型分布。集聚型分布的DME由于其浓度较高而容易火，因此在喷入缸内后迅速自燃，形成具有一定体积的高能点火源（即微火源）。高能微火源一旦形成，即可对高稀释混合气的着火和火焰形成发挥主导作用。由此，DME直喷时刻可用于线性调控高稀释混合燃烧的着火和燃烧定时。离散型分布的 DME，由于其浓度较低，无法率先着火形成点火源，因此直喷DME的作用仅表现为提升整缸混合气的活性，提高燃烧速度，而无法用于直接控制燃烧放热。 其次，在光学发动机上，通过对比分析不同废气率下 SI-CAI和 DME微火源引燃高稀释混合燃烧的循环变动特征，揭示了DME微火源引燃策略抑制高废气率下混合燃烧循环变动的作用机制。结果表明，高能微火源不仅可以稳定引燃高稀释混合气，有效抑制燃烧边界条件的变动对着火时刻的影响，从而显著降低着火时刻的循环变动。外部EGR率不超过18%，着火时刻循环变动的标准差可从SI-CAI的1.6℃A下降至0.5℃A。此外，由于微火源引燃混合燃烧的初期火焰发展速度远高于SI-CAI燃烧，火焰传播持续期下降10℃A左右，这也有助于降低湍流火焰传播的随机性导致的燃烧循环变动。当外部EGR率增加至37.7%时，DME微火源依然能够通过 DME直喷时刻控制燃烧相位，并将其标准差控制在1.5℃A以内。 最后，研究了DME浓度和EGR率对自燃温度的影响规律。结果显示，随着DME浓度的上升，自燃着火温度下降，但其下降幅度随 DME浓度的上升而放缓，而外部EGR率与自燃着火温度呈近似线性正相关。基于上述规律和课题组已有的自燃温度阈值判据架构，建立了DME微火源引燃混合燃烧的着火时刻预测模型，将其集成于GT-Power进行了循环变动的仿真。当EGR率从27%上升至37.7%时，仿真得到的着火时刻循环变动标准差从0.28℃A上升至1℃A，这与试验结果基本一致。连续50个循环着火时刻的模拟结果对相应实验结果的循环跟踪误差不超过1℃A。仿真结果验证了着火预测模型的有效性。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 引言-发展汽油机低温高效燃烧的必要性

1.2 以CAI和SI-CAI为代表的汽油高稀释低温燃烧技术研究现状

1.3 高废气率条件下SI-CAI混合燃烧循环变动的原因分析

1.4 不同点火/引燃方式改善高稀释条件下着火控制和火焰传播稳定性的研究现状

1.5 本文的研究思路

第二章 研究平台和方法介绍

2.1 单缸可视化光学发动机实验平台

2.2 可视化发动机实验数据分析方法

2.3 一维仿真平台

2.4 三维仿真平台

2.5 本章小结

第三章 DME直喷时刻对微火源引燃混合燃烧的调控规律

3.1 DME微火源引燃策略的原理及实现方法

3.2 不同DME直喷时刻下MFI混合燃烧的燃烧放热特征

3.3 DME晚喷策略下MFI混合燃烧多阶段顺序放热特征分析

3.4 DME分布对微火源引燃阶段反应区位置的影响

3.5 本章小结

第四章 混合气分层对DME微火源引燃混合燃烧着火和放热的控制机制

4.1 DME喷雾特征的测量和数值仿真模型的建立

4.2 DME直喷时刻对缸内混合气活性分层的影响

4.3 混合气活性分层对MFI混合燃烧放热的控制机制

4.4 本章小结

第五章 DME微火源引燃策略抑制高废气率下燃烧循环变动的作用机制

5.1 DME MFI策略降低混合燃烧循环变动的效果和机制

5.2 不同EGR率下DME微火源引燃策略抑制燃烧循环变动的效果

5.3 火花点火辅助对高废气率下DME MFI混合燃烧循环变动的调控作用

5.4 本章小结

第六章 DME微火源引燃混合燃烧着火预测模型的建立

6.1 自燃着火预测模型发展现状

6.2 DME MFI混合燃烧着火预测模型构建

6.3 模型有效性验证

6.4 本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 未来工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢