基于燃料自燃特性的小型强化SI发动机早燃机理研究

This project studies the mechanism of pre-ignition in downsized SI engines, based on the auto-ignition characteristics of fuel. To begin with, we will explore the auto-ignition process through numerical modeling and experiments under different initial conditions. A reduced chemical kinetic mechanism which can describe both the effects of NOx and NTC on autoignitio will be established and a single cylinder SI engine pre-ignition test fueled with PRF blended with lubricating oil is also conducted, aiming at revealing the key factors and laws the autoignitive modes. Then, numerical simulations on the process of mutipoint autoignition and the coupling of reactive wave and pressure wave in conjunction with the experiments in a constant volume bomb and a rapid compression expansion machine are scheduled, in order to clarify the mechanism about the generation and development process of pre-ignition. At last, with combustion test technology, criterions of pre-ignition and the control strategy can be proposed. To sum up, this project can provide new methods for combustion process simulation, combustion optimization, pre-ignition diagnosing and controlling, which has an important academic and engineering significance.

本项目基于燃料自燃特性的小型强化SI发动机早燃机理研究。首先开展不同初始条件下燃料自燃过程的数值模拟和实验研究。建立考虑NOx等物质、燃料NTC特性对自燃的影响的简化化学动力学机理，并在单缸机上开展PRF掺混润滑油的早燃实验。阐明影响SI小型强化发动机自燃模态的关键因素及影响规律。然后，开展多热点间相互作用对自燃模式的影响，以及自燃后化学反应前锋/压力波相互作用现象的模拟研究，结合定容燃烧弹装置与快速压缩-膨胀装置的实验研究，从机理上揭示是否产生早燃以及早燃的发展过程。最后，结合SI发动机燃烧过程测试技术，提出小型强化发动机的早燃判据以及基于参数优化的早燃控制策略。本项目在内燃机工程实际中可以为小型化汽油机燃烧过程模拟、燃烧过程优化、早燃诊断及控制技术提供新的理论和技术，具有重要的学术理论意义与工程指导意义。

小型强化被认为是目前最有前途的发动机节能减排技术。然而，随着热负荷的增加，出现了一种新的类似爆震燃烧的异常现象，即早燃。不同于传统爆震，早燃发生在火花点火之前，具有更高的爆发压力及强烈的压力震荡，且无法通过推迟点火时刻来控制，成为限制小型强化发动机热效率进一步提高的主要技术障碍。目前国内外尚缺乏对影响早燃关键因素的深入研究以及从热点自燃到火焰与压力波相互作用完整过程的综合分析，无法较为全面的揭示早燃机理。本项目可以为小型化汽油机燃烧过程模拟、燃烧过程优化、早燃诊断及控制技术提供新的理论和技术，具有重要的学术理论意义与工程指导意义。.本项目拟开展不同工况下燃料理化性质与润滑油等物质对自燃模式的影响研究，从不同自燃模式产生的火焰和压力波特性及其相互作用入手，定量分析早燃产生与否及强度大小，有可能从机理上揭示小型强化发动机早燃的特征及其产生规律，从而为探求更为有效的早燃控制策略提供依据。.重要研究成果：.（1）开发了火焰过孔板加速产生不同强度压力波的可视化试验装置， 发现了不同加速火焰和产生压力波及反射压力波强度的关系，揭示了内燃机工况爆轰波形成机理;.（2）提出 LES-LEM-DAMZ 集成方法，提高了复杂湍流流场自燃过程和早燃预测的精度，实现了湍流涡团与化学反应在微米量级相互作用，揭示了湍流和低温反应对自燃和早燃的影响机理;.（3）提出了以关键中间产物表征瞬时自燃进程的方法，提升了展了经典基于定常条件下的自燃模式在瞬变条件下的认识;.（4）将内燃机早燃机理上统一到燃烧模式整体框架内，揭示了温度、压力和当量比等参数对燃烧模式转变的影响机制;.（5）基于通过中位数和中位数标准偏差提出了新的早燃识别及频次计算方法，提出了增压直喷汽油机低速早燃抑制的技术途径和可行策略;.（6）提出了采用高辛烷值含氧燃料与汽油复合喷射结合废气再循环技术， 以及增压米勒循环结合多次喷射技术抑制早燃的内燃机高效燃烧方式。