面向缸内直喷汽油机燃烧调控的若干基础问题研究

High efficient and clean combustion is key route to increase energy utilization efficiency and decrease emissions of engines, while direct injection gasoline engine is an effective approach to realize this task. This project will study the coupling effect between spray and combustion by using the constant volume facility. Spray is adopted as the regulating method for mixture formation and combustion. The effects of spray modes and patterns on charge formation, flame nuclei formation and propagation as well as lean capability will be studied. The fundamental research can clarify the influence law for each individual parameter and the coupling law from multi-parameters, and quantitatively characterize the combustion processes from spray, flow and stratification. The research can provide the database, optimization and technological route for engine combustion regulation. The research can make systematic understanding in fundamental aspect of combustion, and assist the clarification of engine combustion and regulation.

内燃机高效清洁燃烧是提高能源利用率和降低排放的重要途径，缸内直喷汽油机是实现高效清洁内燃机的有效途径。本项目采用定容燃烧装置，开展喷雾与燃烧的耦合性研究，将喷雾作为混合气形成和燃烧的调控手段，研究喷雾形态对充量形态的调控规律、对火核形成和火焰传播的作用规律以及稀燃能力拓展。通过基础层面的研究阐明各参数的影响规律、多参数间的耦合作用规律，定量阐明喷射、流动、分层下的燃烧规律，为高效低污染发动机燃烧调控提供基础数据、方案优化和技术路径。在燃烧基础层面形成系统性的规律认识，为发动机燃烧现象的解析和燃烧调控提供支撑。

缸内直喷汽油机可降低20%的CO2排放，是汽油机实现双碳目标的重要方式。本项目以喷雾引导的缸内直喷汽油机为背景，采用参数可调控的定容燃烧装置系统开展燃烧调控中若干关键问题的基础性研究，阐明关键因素的影响规律和耦合作用，开展了缸内直喷汽油机喷雾与混合气形成过程的实验测量与理论分析，掌握缸内直喷汽油机喷雾特征、喷雾演变规律、喷雾点火和燃烧特性，形成了单一燃料和混合燃料缸内直喷喷雾和燃烧规律认识。发现环境温度高于燃料临界温度时，喷雾坍塌现象加剧，喷射锥角显著降低，喷雾贯穿距及其发展速度显著增加，实现了燃料缸内多孔喷雾的可视化测量及其喷雾宏观形态演变规律的解析。发现常温环境下，喷雾液相截面面积随乙醇占比提高而减少，环境温度增加，乙醇占比对喷雾液相截面面积的影响程度呈现先增后减降现象，实现了汽油醇喷雾液相截面面积的可视化定量测量，形成了单一燃料和混合燃料喷雾液相截面面积演变规律认识。揭示了超临界条件下汽油、乙醚及其混合燃料喷雾宏观蒸发现象的机理，发现喷雾由亚临界转入超临界时，喷雾发生坍塌现象，乙醚蒸汽相燃料生成速率因油束间相互作用的增强和超临界自由行程的降低得到抑制，实现了亚临界、超临界下喷雾的可视化测量及其喷雾破碎与发展的演变规律认识。相较于预混均质燃烧，发现超稀薄工况下喷雾燃烧具有更加宽广的可燃域，点火时刻提前对增强燃烧稳定性有重要作用，点火和燃烧稳定性主要受喷雾引起的点火位置附近湍流扰动和燃料浓度的影响，环境氛围中活性组分可显著增强超稀薄燃烧的稳定性，提前点火正时、优化喷射压力和活性组分介入实现了超稀薄燃烧下的点火稳定性和快速燃烧。发现点火时刻点火位置附近的燃油密度对分层燃烧起关键作用，高温环境由于液相燃料充分蒸发使得点火位置整体燃料密度降低，抑制了分层燃烧改善稀薄燃烧的效果，高温环境减弱了点火位置的分层效果，在稀薄燃烧环境下使得整体燃烧速度降低。喷雾分层燃烧促进效果是由环境温度对点火位置分层效果和后续燃烧效果的耦合作用结果。研究成果为汽油机燃烧调控提供理论指导和技术路线支撑。