直喷汽油机分层控制、EGR稀释及起动工况微粒生成机理及排放特性研究

The emissions regulations become more and more stringent as the understanding is gradually deepened on the harm of the particulate matter (PM)to the health . Gasoline direct injection (GDI) engines are becoming concern with respect to the PM emissions. This project focus on the effect of the stratified fuel to air mixture quality on the PM formation during the combustion using computational fluid dynamic (CFD) simulations. The optic engine will be adopted to investigate the PM formation under the different state stratified mixture to find out the mechanism of the PM formation, evolvement and emission. The effect of the exhaust gas recirculation (EGR) dilution on the mixture formation in the cylinder of the GDI engine will be also studied. The mechanism of the PM formation under the EGR dilution will be revealed. The sampling system based by cycle will be used to study the PM emissions formation cycle-by-cycle under the starting and warming operation in order to reveal the PM formation mechanism under this special condition. The important theoretical basis will be derived from these studies for GDI gasoline adopted stratified mixture control and high EGR dilution combustion in order to achieve efficient and clean combustion.

排放法规的日趋严格以及人们对微粒危害的认识逐步深入，使GDI（ Gasoline Direct Injection）汽油机的微粒问题受到人们的广泛关注。本项目将建立直喷汽油机模型，采用CFD模拟手段重点研究不同品质分层混合气的形成及其状态对微粒生成的影响规律,并利用光学发动机深入研究汽油机采用不同品质混合气燃烧过程中微粒的生成历程，以揭示直喷汽油机微粒生成、演化及排放的机理。研究EGR稀释对直喷汽油机缸内混合气形成的影响，EGR稀释下微粒的生成、演化及排放机理。利用单循环采样系统研究GDI汽油机起动、暖机工况特殊条件下微粒生成过程基于循环的变化，揭示在起动的特殊条件下缸内直喷汽油机微粒形成、演化及排放机理。为未来GDI汽油机采用分层及高EGR稀释燃烧方式以达到高效、清洁的燃烧提供重要的理论依据。

本项目针对直喷汽油机微粒排放问题通过采用光学测试、台架试验、CFD计算三种手段展开了研究。.自主设计开发了适用于直喷汽油机试验研究的光学直喷汽油机测控平台：对现有四缸直喷汽油机改成单缸机的主体结构设计；能够实现PLIF、LII、高速摄影测试的光学系统建立；具有在线参数调整功能的电控系统软硬件开发。.利用光学发动机，基于PLIF光学测量对排气回流EGR分层效果进行了研究。采用高速摄影技术对排气实现回流EGR分层缸内燃烧进行了测试，验证了提出的采用排气气门二次开启实现EGR分层改善燃烧方法的可行性，为模拟计算提供了较好的依据，有效的实现了光学测试与模拟计算、混合气形成与燃烧控制的有机结合。采用双色法-LII法相结合，研究了低转速工况不同混合气浓度条件下，缸内燃烧碳烟的分布规律。.台架试验针对起动过程，研究了不同冷却液温度条件下起动初始阶段0-13秒以及0-40秒过程中微粒的排放历程，同时采用热重分析法、色谱-质谱联用分析法对微粒排放的成分进行了试验分析，得到了可溶有机成分中16种多环芳烃及正烷烃随冷却液温度的变化规律。通过在线参数调整，获得了混合气浓度、燃油喷射角度、点火角度等控制参数对暖机过程中微粒排放的粒径分布规律。.采用冷EGR和热EGR，完成了EGR稀释对直喷汽油机燃烧、经济性及微粒排放的影响规律。通过采用不同稀释气体，对EGR稀释条件下微粒排放的机理进行研究。研究了混合气浓度、点火提前角、喷射压力、喷油时刻对直喷汽油机部分负荷微粒排放的影响，获得了不同控制参数对直喷汽油机采用M15燃料部分负荷微粒排放的影响规律。.通过模拟计算，获得了排气门二次开启不同控制参数对EGR分层及燃烧特性的影响规律，EGR、进气温度、喷射参数对直喷汽油机燃烧过程中碳烟生成的影响规律计算结果很好的从理论上解释了试验过程中微粒变化的规律。