缸内直喷汽油机瞬态工况微粒生成过程的可视化研究

GDI engine with its excellent economical efficiency and transient response performance has been widely recognized by the market. but the direct injection characteristics similar to diesel engine determines the short gasoline mixing time, fuel local rich and PM generation quality and quantity increasing under transient conditions. Especially ultrafine PM particle size of less than 100nm, serious harm to human health.In the background of increasingly stringent emission regulations and growing haze weather, how to solve the problem of GDI engine PM emission has become a hot and key research priorities. Transient PM generation process occurs in cylinder under high temperature and high pressure environment, accompanied by the complex chemical reaction kinetics and intense burning movement. Study on PM generation process in cylinder can not be researched by traditional test methods and emission detection technology. This project intends to adopt a new PM optical testing technology - - Forward Illumination Light Extinction method. Research the transient process of PM formation and evolution in cylinder. Determine that the combustion boundary conditions and different combustion mode effects on PM instantaneous generation of quality, time and space distribution in cylinder under transient conditions of GDI engine. Clear and optimize the combustion characteristic parameters effects on PM generation. Propose to improve the combustion process and reduce PM emission by in-cylinder purification approach.

缸内直喷汽油机以其出色的经济性和瞬态响应性能得到了市场的广泛认可，但其类似于柴油机的喷射特点决定了汽油缸内混合时间短、混合气局部过浓，瞬态工况微粒生成的质量和数量增加，尤其粒径小于100nm、对人体危害严重的超细微粒排放增多。在排放法规要求日益严格、国内阴霾天气愈演愈烈的大背景下，如何解决GDI汽油机微粒排放问题已成为业内研究的热点和重点。瞬态工况微粒生成过程发生在高温、高压的缸内环境中，同时伴随着复杂的化学动力学反应和剧烈的燃烧运动变化，传统试验手段和排放检测技术无法实现缸内微粒生成过程的研究。本项目拟采用一种全新的缸内微粒测试技术- - - - 光源前置消光法，研究瞬态工况下缸内微粒的生成和演化历程，确定GDI汽油机瞬态工况缸内边界条件和不同燃烧模式对微粒瞬时生成质量、时间和空间分布的影响规律，明确并优化影响微粒生成的燃烧特征参数，提出改善燃烧过程、降低微粒排放的缸内净化途径。

GDI汽油机微粒生成和演化过程发生在高温、高压的缸内环境中，同时伴随着复杂的化学动力学反应和剧烈的燃烧运动变化。依托于传统排放分析设备无法直接监测缸内有微粒生成情况。本基金项目针对缸内直喷汽油机微粒生成过程进行可视化研究，设计搭建基于定容燃烧室的可视化试验平台。采用基于微粒消光原理的光源前置消光法测量缸内微粒瞬态生成过程。研究了过量空气系数、缸内环境温度等因素对微粒生成过程的影响规律。并采用发动机台架试验与CFD 仿真分析计算相结合的研究方式，分析了燃料喷射、雾化、燃烧特征参数对微粒瞬时生成过程的影响规律。.重要结论如下：.1. 可视化光学测试平台实现了缸内直喷汽油燃料的喷射、雾化、着火、燃烧和微粒生成全过程采集，提高了低密度微粒测量精度。通过分析燃料自然火焰发光度、瞬时微粒生成质量及空间分布等特征参数，明确了微粒生成和氧化基理。.2. GDI汽油机缸内微粒生成主要集中于火焰前锋面和火焰前锋面经过后的局部混合气较浓区域。火焰前锋面发生快速的高温裂解反应，碳链破裂结晶成核，使微粒质量迅速增加。微粒瞬时生成质量峰值主要取决于火焰前锋面高温裂解反应。由于局部混合气较浓周围氧气量不足，导致微粒氧化速度降低，因此微粒生成的根本原因在于燃烧过程中生成的微粒无法完全氧化。.3. 混合气浓度和缸内环境温度显著影响微粒生成过程。均质混合气条件下，缸内环境温度影响微粒瞬时生成质量峰值和微粒生成持续期。混合气过浓条件下，环境温度对微粒生成过程影响不大，但影响微粒后期氧化速度。.4. GDI汽油机由于燃油撞击燃烧室各部位壁面，燃油附着壁面形成油膜，油膜不能在有限时间内完全蒸发，在燃烧过程中形成池火而形成微粒。油膜的质量、面积、厚度以及分布位置等特性对微粒的质量和数量影响极为显著。.通过本项目研究，明确了影响微粒生成的喷雾、燃烧特征参数，提出了改善燃烧过程、降低微粒的缸内净化途径，为降低GDI微粒排放水平提供理论和试验基础。