转子发动机分层燃烧的实现机制及其对排放的影响机理

The development of the electric vehicle and small unmanned aerial vehicle, desperately needs a kind of power equipment with high-energy density and high power-to-weight ratio. As the rotary engine is able to satisfy the demand excellently, it has wide application prospects. However, the problems of combustion efficiency and emissions for rotary engine severely restrict its quick development. Fortunately, the application of stratified combustion mode is considered as a key solution for these problems. However, the limited understanding on the realization mechanism of this combustion mode still forms a barrier to further improve the performance of the engine. In particular, the knowledge on the motion of mixture and the effect of different stratified mixture on combustion process and emissions needs further investigation. Therefore, the present project takes stratified combustion rotary engine as the research object, and chooses the realization mechanism of stratified combustion and its effect on emissions as scientific problem. Through theoretical, numerical and experimental approaches, the evolution law of flow field in the cylinder will be clarified, the realization mechanism of stratified mixture will be obtained, the migration mechanism rule of free radicals in combustion process will also be investigated. On the basis, the effect of different stratified mixture on ignition, flame spreading and the formation of pollutants will be studied, the ideal stratified mixture for high efficiency and low emission will be given. Meanwhile, the design parameters of engine will also be given, which are used to realize the ideal stratified mixture. In addition, the implementation of this project has guiding significance for the exploration and application of other combustion mode to the rotary engine.

电动汽车増程器和小型无人机的发展迫切需要结构紧凑且功重比高的动力装置，而转子发动机正好可以满足这一要求，因此其应用前景愈加广阔。但是，转子发动机的燃烧效率和排放问题却严重制约了其快速发展。庆幸的是，分层燃烧模式的应用被认为可有效突破这一瓶颈，然而目前对这一燃烧模式在转子发动机上的实现机制还认识不足，尤其对缸内混合气的运动规律以及混合气分层对燃烧和排放的影响机理感到困惑。为此，本项目以分层燃烧转子发动机为研究对象，把混合气分层燃烧的实现机制及其对排放的影响机理作为科学问题，用理论分析、实验测试和数值模拟的方法剖析缸内流场的演变规律，弄清混合气分层的实现机制，揭示火焰传播中关键组分的迁移规律。在此基础上，阐明不同形式分层混合气对着火、火焰传播和污染物生成的影响规律，给出理想的分层混合气形式以及实现该形式的发动机设计参数，项目相关成果对其它新型燃烧模式在转子发动机上的探索和应用也具有指导意义。

转子发动机的燃烧效率和排放问题严重制约了其快速发展，分层燃烧模式的应用被认为可有效解决这一问题。但是目前对这一燃烧模式在转子发动机上的实现机制还认识不足，尤其对缸内混合气的运动规律以及混合气分层对燃烧和排放的影响机理感到困惑。为此，本项目主要围绕着转子发动机缸内混合气分层燃烧的实现机制及其对排放的影响机理开展了相关的研究，主要研究内容和重要结果如下：. （1）建立定容弹喷雾测试台架和光学转子发动机PIV（Particle Image Velocimetry）测试实验台架，通过实验测试获得了柴油基础喷射特性和缸内中心截面上的二维流场。在此实验数据基础上，通过选择和验证湍流模型和喷雾模型，建立了可以计算转子发动机气流运动和混合气形成过程的三维动态模拟模型。进一步的，通过数值计算获得了缸内气流三维流动机理，并揭示了缸内混合气分层的实现机制。. （2）在研究内容（1）所获得的可以计算转子发动机气流运动和混合气形成的三维动态模拟模型基础上，通过选择和验证合理的燃烧模型并耦合简化的化学反应机理，进一步建立了可以计算燃烧过程的三维动态模拟模型。并在此基础上，研究了缸内混合气分层对着火、火焰传播过程和污染物生成的影响机制，并给出能实现发动机高效燃烧的理想混合气分层形式。该理想混合气分层形式为：燃料应主要分布在燃烧室的中前部，并且在火花塞附近有足够多的燃料保证点火过程中的火核能够快速的形成。 . （3）建立了转子发动机性能测试实验台架，并结合研究内容（2）中所建立的三维动态模拟模型，通过实验和数值模拟相结合的方法对转子发动机进行了优化设计研究。具体为：根据研究内容（2）中所获得的理想混合气分层形式，分别确定了汽油、天然气和柴油这三种燃料转子发动机能实现该分层形式的最优设计参数，包括喷油位置、喷油正时、喷油持续期、点火正时和点火位置等。. 该项目的实施完善了分层燃烧转子发动机的基础流动和燃烧理论，同时对其它新型燃烧模式在转子发动机上的探索和应用也具有指导意义。