分层火焰和DME微火源对汽油高稀释燃烧过程影响规律的研究

摘要

以 SI-CAI混合燃烧为代表的高稀释低温燃烧技术同时具有高热效率和低NOx排放的优点，但是其对缸内热状态敏感，在特定的负荷工况存在循环变动较大、燃烧可控性差的问题，进而限制其工程应用。针对这一问题，本文基于一台配备有全可变气门机构的单缸汽油发动机，分别对分层火焰引燃（SFI）和二甲醚（DME）微火源引燃控制下的燃烧过程进行了试验研究，探索了这两种引燃方式对燃烧过程的调控机制，通过合理控制发动机参数，实现了经济性、排放性和燃烧稳定性的优化。
　　本文首先对分层火焰引燃混合燃烧开展研究，分析了缸内汽油直喷策略对火花点火调控能力的影响规律，以及对混合燃烧各阶段放热特征的作用机制。研究结果表明，中小负荷工况，缸内的燃油浓度分层能够显著增强火花点火对燃烧相位的调控能力。中大负荷工况，汽油直喷比例和直喷时刻可以直接控制混合燃烧火焰传播阶段的平均放热速度，进而改变SFI燃烧放热率形态，对经济性、排放性和燃烧稳定性产生重要影响。通过综合优化点火时刻、直喷比例和直喷时刻，相比于均质混合气燃烧，SFI燃烧的指示热效率可提升7.4％，COVIMEP降低53%，但是SFI燃烧仍然面临NOx排放较高，最大压力升高率控制不稳定的问题。
　　针对SFI燃烧面临的问题，本文进一步对DME微火源引燃开展研究，系统分析了火花点火、DME喷射策略以及缸内稀释环境对燃烧过程的影响规律，并对DME微引燃燃烧和分层火焰引燃燃烧进行了燃烧特征的比较分析。研究结果表明，DME微引燃过程呈现自燃+火焰传播+自燃三阶段放热特征，其早期放热速度相比SFI更快，因此引燃能力更强，对后期自燃放热的控制能力有所提升。通过优化DME直喷时刻和直喷比例以及缸内稀释环境，相比于均质混合气燃烧， DME微引燃指示热效率最高可提升12.4%， NOx排放相对降低70%，COVIMEP降低到2%以内，同时最大压力升高率的循环变动显著减小。
　　综上所述，分层火焰引燃能够通过优化放热率形态，改善混合燃烧的经济性和燃烧稳定性，但对最大压力升高率的控制能力仍显不足，而DME微引燃早期放热速度更快，对未燃混合气的引燃能力更强，能够在改善经济性和排放性的同时，更好地控制放热过程和压力升高率。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1 汽油机高效燃烧技术的研究

1.2 汽油机高稀释低温燃烧的实现及面临的挑战

1.3 分层混合燃烧技术的研究现状

1.4 本文的研究内容及意义

第二章 研究平台介绍及关键参数定义与计算

2.1 低温高效燃烧单缸原理性试验样机平台

2.2 关键参数定义和计算方法

2.3 本章小结

第三章 分层火焰引燃对燃烧过程的调控机制

3.1 缸内热状态和喷油策略对点火调控能力的影响

3.2 燃油直喷策略对经济性和排放性的优化

3.3 SFI混合燃烧放热稳定性评价

3.4 本章小结

第四章 DME微引燃对燃烧过程的调控机制

4.1 不同稀释条件下DME微火源与火花点火的调控作用对比

4.2 DME喷射策略对微引燃放热特征的作用规律

4.3 DME微引燃与SFI燃烧特征对比

4.4 本章小结

第五章 全文总结及展望

5.1 全文总结

5.2 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