缸內直噴汽油機瞬態工況微粒生成過程的可視化研究

《缸內直噴汽油機瞬態工況微粒生成過程的可視化研究》是依託吉林大學，由劉宇擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：缸內直噴汽油機瞬態工況微粒生成過程的可視化研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉宇
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

缸內直噴汽油機以其出色的經濟性和瞬態回響性能得到了市場的廣泛認可，但其類似於柴油機的噴射特點決定了汽油缸內混合時間短、混合氣局部過濃，瞬態工況微粒生成的質量和數量增加，尤其粒徑小於100nm、對人體危害嚴重的超細微粒排放增多。在排放法規要求日益嚴格、國內陰霾天氣愈演愈烈的大背景下，如何解決GDI汽油機微粒排放問題已成為業內研究的熱點和重點。瞬態工況微粒生成過程發生在高溫、高壓的缸內環境中，同時伴隨著複雜的化學動力學反應和劇烈的燃燒運動變化，傳統試驗手段和排放檢測技術無法實現缸內微粒生成過程的研究。本項目擬採用一種全新的缸內微粒測試技術- - - - 光源前置消光法，研究瞬態工況下缸內微粒的生成和演化歷程，確定GDI汽油機瞬態工況缸內邊界條件和不同燃燒模式對微粒瞬時生成質量、時間和空間分布的影響規律，明確並最佳化影響微粒生成的燃燒特徵參數，提出改善燃燒過程、降低微粒排放的缸內淨化途徑。

結題摘要

GDI汽油機微粒生成和演化過程發生在高溫、高壓的缸內環境中，同時伴隨著複雜的化學動力學反應和劇烈的燃燒運動變化。依託於傳統排放分析設備無法直接監測缸內有微粒生成情況。本基金項目針對缸內直噴汽油機微粒生成過程進行可視化研究，設計搭建基於定容燃燒室的可視化試驗平台。採用基於微粒消光原理的光源前置消光法測量缸內微粒瞬態生成過程。研究了過量空氣係數、缸內環境溫度等因素對微粒生成過程的影響規律。並採用發動機台架試驗與CFD 仿真分析計算相結合的研究方式，分析了燃料噴射、霧化、燃燒特徵參數對微粒瞬時生成過程的影響規律。 重要結論如下： 1. 可視化光學測試平台實現了缸內直噴汽油燃料的噴射、霧化、著火、燃燒和微粒生成全過程採集，提高了低密度微粒測量精度。通過分析燃料自然火焰發光度、瞬時微粒生成質量及空間分布等特徵參數，明確了微粒生成和氧化基理。 2. GDI汽油機缸內微粒生成主要集中於火焰前鋒面和火焰前鋒面經過後的局部混合氣較濃區域。火焰前鋒面發生快速的高溫裂解反應，碳鏈破裂結晶成核，使微粒質量迅速增加。微粒瞬時生成質量峰值主要取決於火焰前鋒面高溫裂解反應。由於局部混合氣較濃周圍氧氣量不足，導致微粒氧化速度降低，因此微粒生成的根本原因在於燃燒過程中生成的微粒無法完全氧化。 3. 混合氣濃度和缸內環境溫度顯著影響微粒生成過程。均質混合氣條件下，缸內環境溫度影響微粒瞬時生成質量峰值和微粒生成持續期。混合氣過濃條件下，環境溫度對微粒生成過程影響不大，但影響微粒後期氧化速度。 4. GDI汽油機由於燃油撞擊燃燒室各部位壁面，燃油附著壁面形成油膜，油膜不能在有限時間內完全蒸發，在燃燒過程中形成池火而形成微粒。油膜的質量、面積、厚度以及分布位置等特性對微粒的質量和數量影響極為顯著。 通過本項目研究，明確了影響微粒生成的噴霧、燃燒特徵參數，提出了改善燃燒過程、降低微粒的缸內淨化途徑，為降低GDI微粒排放水平提供理論和試驗基礎。