基于冲击波-火焰相互作用汽油机小型化的爆震机理研究

本申请基于冲击波-火焰相互作用开展汽油机小型化的爆震机理研究。首先开展定容燃烧过程火焰传播和冲击波-火焰相互作用下的燃烧过程模拟研究，并开展定容燃烧试验验证和模型改进。然后针对小型化汽油机建立燃烧模型，在定容燃烧基础上引入湍流模型，开展冲击波-火焰相互作用下自燃产生的冲击波转变为爆炸波的模拟研究，结合燃烧室空腔压力波共鸣特性，揭示汽油机发生自燃到产生爆震的机理。结合单缸机燃烧过程测试技术，对燃烧模拟结果进行实验验证和模型修正。基于冲击波-火焰相互作用机理，开展汽油机机小型化关键参数与爆震的影响关系研究，预测爆震发生时刻和强度，探索汽油机小型化的爆震识别技术。基于参数优化方法，探索小型化汽油机爆震控制技术。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、爆震诊断及控制技术以及预混合燃烧发动机设计提供新的理论和技术，具有明确的工程指导意义和重要的学术价值和理论意义。

汽油机小型化是现代发动机提高热效率和降低排放的重要途径，然而汽油机小型化的主要瓶颈是爆震燃烧问题。尽管国内外学者对爆震燃烧相关问题进行了广泛研究，由于爆震燃烧过程非常复杂，目前人们仍然对发动机爆震机理不清楚。本申请基于冲击波-火焰相互作用开展汽油机小型化的爆震机理研究。（1）基于数值模拟开展了定容燃烧过程火焰传播和冲击波-火焰相互作用下的燃烧过程研究。结果表明，正常火焰传播过程由于放热速率有限，很难产生冲击波；燃烧过程中产生的压力波在燃烧室内来回传播会改变混合气的热力学等状态，导致局部热点的出现；热点自燃瞬间释放大量反应热，造成局部压力突变产生冲击波；冲击波向外传播进一步提高周围混合气的热力学状态，从而诱发新的热点产生；压力波（冲击波）和自燃火焰前锋相互作用可能导致燃烧模式的转变。（2）基于三维燃烧程序建立了小型化汽油机爆震燃烧模型，开展了压力波-火焰相互作用下自燃的产生并最终导致爆震燃烧的模拟研究。结果表明：所建立的爆震燃烧能够准确地预测缸内压力、压力振荡及其频谱特性分布特性；同时，和活塞压缩和湍流耗散等压力源项比较，末端混合气自燃化学反应放热对高频压力振荡强度贡献最大。（3）基于冲击波-火焰相互作用机理，开展了汽油机小型化关键参数（增压、EGR、压缩比等）与爆震的影响关系研究。结果表明，提高进气温度、进气压力和压缩比都能够增加爆震强度，但是三者对爆震的影响程度也取决于燃料性质；另外，适当地引入冷EGR能够在不显著影响发动机动力性的前提下降低发动机爆震强度。（4）基于单缸汽油机和可视化定容弹开展了爆震发生时刻和强度预测的研究，探索了汽油机小型化的爆震识别技术。研究结果表明，通过爆震时高频压力振荡特性所获得的爆震评价方法能够准确地识别爆震起点和爆震强度，如最大压力振荡峰值、KI20等。（5）基于参数优化方法，探索了小型化汽油机爆震控制技术。结果表明：结合冷EGR技术，获得了不同进气压力、温度、当量比、喷射参数、压缩比、点火时间等参数对爆震特性的影响规律。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、爆震诊断及控制技术以及预混合燃烧发动机设计提供新的理论和技术，具有明确的工程指导意义和重要的学术价值和理论意义。