汽油机火花点火-可控自燃混合燃烧机理研究

摘要

汽油机火花点火（SI）-可控自燃（CAI）混合燃烧作为一种特殊的双阶段燃烧模式，能够拓展CAI燃烧的负荷范围，并自然的将SI燃烧和CAI燃烧衔接起来，进而成为极具实用化潜力的高效汽油机燃烧技术。为了在全负荷工况范围内应用SI-CAI混合燃烧实现高效汽油机燃烧，本文基于一台采用内部废气重压缩策略实现的CAI单缸汽油机，从汽油机SI-CAI混合燃烧过程认识、发动机重要边界条件、控制手段和本体结构参数对混合燃烧的影响等角度出发，深刻揭示了SI-CAI混合燃烧的实现机制及缸内温度、流动和燃空当量比对SI-CAI混合燃烧的调控规律。
　　本研究首先提出了采用三区扩展拟序火焰模型结合自燃化学反应列表法的SI-CAI混合燃烧模型建模思路，实现了对混合燃烧过程的高效、精确模拟，并揭示了混合燃烧中前期火焰传播过程触发后期自燃燃烧的机制。为明确发动机缸内温度及流动特征对SI-CAI混合燃烧的影响规律，采用实验结合仿真的手段分别研究了发动机冷却水温度/壁温、进气温度和进气门参数对均质当量比 SI-CAI混合燃烧的影响规律。结果表明，冷却水温度和进气温度形成的缸内温度分层差异使得前期的燃烧过程对进气温度更加敏感，而后期的燃烧过程对冷却水温度/壁温更敏感。采用非对称进气门升程实现的缸内宏观流动与均质当量比 SI-CAI混合燃烧的模式切换时刻相关性较差，而缸内中心区域的平均流速和整缸湍动能的增加将提前混合燃烧模式切换时刻，流动混合过程造成的缸内末端混合气平均温度和整缸温度不均匀度的增加则会推迟混合燃烧模式切换时刻。
　　在前期均质当量比SI-CAI混合燃烧研究的基础上，为进一步强化混合燃烧过程的控制，并实现负荷范围拓展，本文提出了分层火焰引燃的SI-CAI混合燃烧（SFI）概念，系统研究了点火时刻、喷油策略、稀释策略、活塞设计和压缩比对SFI燃烧的影响规律。结果表明，采用较浅的凹坑活塞配合少量缸内直喷能够在火花塞附近形成偏浓混合气，进而控制前期分层火焰传播过程；末端偏稀释的混合气则能够有效降低SFI燃烧的最大压升率。推迟直喷喷油时刻和增加直喷比例，能够有效降低最大压升率，但同时会恶化IMEP。为优化缸内中心区域的燃空当量比以增强前期火焰传播，研究了不同压缩比条件下的空气-废气组合稀释SFI燃烧。在恒定总喷油量的条件下，相比于压缩比10.66的原机均质当量比SI-CAI混合燃烧，采用压缩比14、直喷比例16％的空气-废气组合稀释SFI燃烧峰值IMEP增加了3.96%，最大压升率降低了43.88%，因而具有提升燃烧做功能力和拓展负荷范围的潜力。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1 发展高效汽油机燃烧理论的重要性

1.2 高效汽油机燃烧理论

1.3 汽油机SI-CAI混合燃烧的国内外研究现状

1.4 本课题的研究内容和意义

第二章研究基础平台简介

2.1 单缸汽油机实验平台

2.2 三维仿真平台

2.3 一维仿真平台

2.4 本章小结

第三章 SI-CAI混合燃烧中火焰传播对自燃燃烧的作用机制

3.1 汽油机SI-CAI混合燃烧数值仿真模型的构建

3.2 数值仿真模型的实验验证

3.3 火焰传播对自燃燃烧的作用机制

3.4 本章小结

第四章 缸内温度及流动特征对SI-CAI混合燃烧的影响

4.1发动机热边界条件对燃烧放热率的影响

4.2 缸内温度分布形态对火焰传播和自燃燃烧的影响机制

4.3 缸内气体流动对火焰传播和自燃燃烧的影响机制

4.4 本章小结

第五章 缸内燃空当量比分布特征对SI-CAI混合燃烧的影响

5.1 分层火焰引燃的SI-CAI混合燃烧（SFI）概念

5.2 分层凹坑活塞设计

5.3 分层凹坑活塞及喷油策略的冷流数值模拟评价

5.4 燃空当量比分布对当量比SFI燃烧的影响

5.5 采用空气-废气组合稀释优化SFI燃烧

5.6 本章小结

第六章 全文总结及展望

6.1 全文总结

6.2 未来工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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