高压气体射流控制预混合气着火及两阶段高温反应机理研究

The combustion phasing and burning rate of premixed compression ignition can be controlled effectively via high-pressure gas jet controlled compression ignition (JCCI) combustion mode. The previous study has indicated that it characterizes the heat release of two-stage high-temperature reaction, while several key issues are still not clear, such as the interactive mechanism between jet flow and combustion, the flame propagation characteristics, the influence rule of jet parameters, and so on. In this project, the fundamental research of high-pressure gas JCCI mode will be carried out by means of the combination of visualization tests in the constant volume combustion chamber and numerical simulation. The velocity characteristics of high-pressure gas jet without injection or combustion will be studied by the PIV measurements. The natural flame luminosity, active radical distributions and flame propagation velocity will be investigated by the measurements of direct high-speed photography and PLIF. The combustion mechanism including chemical reaction mechanism and flame propagation model will be constructed and coupled with 3D CFD software, which will be calibrated and validated by the experimental data. With the combination of visualization tests and numerical simulation, the characteristics of flow, ignition and flame propagation will be revealed. The influence mechanism of the thermodynamic and geometric parameters will be illustrated. The effects of high-pressure-gas flow and mixture spatial distribution on the combustion process will be investigated. Besides, the effective jet strategy on the control of the combustion process will be clarified. Finally, the design thought and scientific basis are provided for the engineering application of high-pressure gas JCCI mode.

高压气体射流控制压缩着火（JCCI）方式能够有效的控制预混合压燃的着火相位和燃烧速率。目前已有的研究表明其具有两阶段高温反应放热特性，但射流流动与燃烧相互作用机制、火焰传播特性以及射流参数影响机制等关键问题尚不完全清楚。本项目通过定容燃烧弹可视化实验和数值模拟相结合的方式，对高压气体JCCI方式进行基础性研究。通过PIV测量无燃烧条件下，高压气体射流速度特性；采用直接高速摄影法和PLIF法测量火焰自发光、活性基分布以及火焰传播速度等；构建化学反应机理+火焰传播模型的燃烧机理，并与三维CFD程序相耦合，通过实验数据进行标定、验证。结合可视化实验和数值模拟，揭示流动、着火及燃烧中的火焰传播特性，阐明射流的热力学参数和几何参数的影响机制，探明高压气体流动特性及混合气空间浓度分布特性对燃烧过程的影响规律，明确有效控制燃烧过程的射流策略。为高压气体JCCI方式的工程化应用提供设计依据。

“着火相位控制”和“燃烧速率控制”是预混合压燃方式中普遍存在的两个共性问题，直接导致了发动机在动态工况燃烧控制方面的限制，使得这种燃烧方式的运行工况范围相对较窄。而动态工况燃烧的“着火相位控制”是预混合压燃方式的关键科学问题。. 高压气体射流控制压缩着火（JCCI）方式能够有效的控制预混合压燃的着火相位和燃烧速率。目前已有的研究表明其具有两阶段高温反应放热特性，但射流流动与燃烧相互作用机制、火焰传播特性以及射流参数影响机制等关键问题尚不完全清楚。本项目通过实验测量和数值模拟相结合的方式，对高压气体JCCI方式进行基础性研究。. 本项目主要开展的研究包括：高压气体射流流动特性，以及射流的热力学参数和几何参数对速度特性的影响规律；高压气体JCCI方式的着火及燃烧机理，包括着火延迟期特性、火焰传播特性和放热率变化规律等；射流参数对着火延迟期、燃烧相位、两阶段高温反应持续期、燃烧效率等影响规律；全工况下有效控制燃烧过程的射流控制策略。. 重要研究结果包括：高压气体射流经历自由射流、壁面射流和混合过程，射流经过区域存在混合，未经区域的混合气发生压缩升温。着火是由局部区域混合气受高压气体射流压缩升温自燃而引起，燃烧分为局部区域的压缩多点自燃和射流气体混合控制的扩展燃烧两个阶段。燃烧过程可通过射流温度、压力、正时和出口直径等参数协同控制，实现全工况预混合燃烧。高压气体JCCI方式可以获得极低的NOx和soot排放，而THC和CO排放则略高。缸内NOx排放主要受第一阶段高温反应的影响，其排放量随射流压力的提高、射流温度的降低和射流持续期的缩短而减少。高压气体JCCI方式包含了射流流动、混合、着火、火焰传播等复杂的湍流运动和燃烧过程。本项目揭示了射流与着火、燃烧相互影响的科学问题，完善了该燃烧方式的三维燃烧模型，并准确描述了其燃烧机理。为高压气体JCCI方式的工程化应用提供设计依据。