缸內直噴汽油機高效清潔燃燒關鍵科學問題的研究

《缸內直噴汽油機高效清潔燃燒關鍵科學問題的研究》是依託清華大學，由王建昕擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：缸內直噴汽油機高效清潔燃燒關鍵科學問題的研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：王建昕
• 項目類別：重點項目

項目摘要

缸內直噴汽油（GDI）是未來車用汽油機的主流，相對柴油機有更大的節能和降低CO2潛力。本課題擬圍繞實現GDI汽油機高效清潔燃燒所遇到的爆震問題及其控制途徑、碳煙和微粒生成機理、高廢氣稀釋氛圍中的著火與燃燒三個關鍵科學問題，採用先進的數值模擬、雷射測試以及發動機試驗方法，借鑑基礎燃燒研究的新理論開展研究工作。以期深化汽油機爆震機理認識，發展新的考慮壓力波傳播及其對燃燒影響的汽油機火花點火爆震模型和均質混合氣壓燃爆震模型，提出抑制爆震新思路；揭示汽油燃燒過程中碳煙和微粒生成機理，建立描述碳煙成核、長大與表面反應及遷移動力學全過程的歐拉-拉格朗日數理模型，發展描述顆粒物演變歷程的氣液固多相湍流與化學反應動力學的耦合計算方法；將大渦模擬引入內燃機湍流燃燒火焰計算中，提出用分區均質的方法提高燃燒穩定性和減少碳煙生成的新思路。研究結果將豐富和發展內燃機燃燒理論，同時可指導我國高效清潔汽油機的自主開發。

結題摘要

汽油機缸內直噴技術是未來汽車節能減排的重要技術進步，但國內外研究開發中都遇到了高壓縮比和增壓條件下容易產生強烈爆震、碳煙生成、廢氣氛圍中燃燒穩定性問題。項目圍繞上述三個現象中的科學問題開展研究，以期發展內燃機燃燒理論，獲得對自主開發高效汽油機有指導意義的結果。 項目組成了內燃機和基礎燃燒相結合的跨學科團隊，包括國外合作研究者。設計建立了一批先進的專用試驗設備：高壓縮比可視化發動機，一維定容彈，快速壓縮機，液體燃料擴散燃燒器，二維軸對稱層流對沖擴散火焰裝置，雷射誘導熾光法（PLII）測試系統等。取得創新性結果如下。 (1) 首次明確提出了在現代直噴增壓汽油機中發生超級爆震的本質是在燃燒過程中產生了爆轟燃燒，增壓引起的混合氣的高能量密度是導致爆轟發生的先決條件，而浮游在燃燒室空間中的機油液滴和大粒徑熾熱碳粒是發生爆轟的誘因，起爆機制是近壁起爆和火焰面前鋒熱點爆炸起爆。 (2) 建立了包含壁面、多火焰面和壓力波傳播的爆震模型，獲得了各種模式不正常燃燒過程的時空演化，定義了反映壓力波對火焰面作用程度的第三登克爾數，發現了壓力波傳播及其與火焰面相互作用導致火焰面最大釋熱位置向未燃側偏移而得到不斷增強，形成壓力強振盪的爆震現象。 (3) 通過大渦模擬耦合G方程火焰傳播燃燒模型和化學反應動力學方法，建立了直噴汽油機的爆震燃燒三維模型，揭示出汽油機爆震燃燒過程中缸內壓力分布極不均勻，壓力波震盪和燃燒化學反應相互耦合，局部自燃放熱提高壓力波能量，壓力傳播激發順序自燃。 (4) 建立了五組分汽油替代燃料反應機理，包含85組分和333個基元反應。該機理不僅能夠準確描述單組分異辛烷、正庚烷、乙醇、甲苯、二異丁烯燃料的著火和燃燒過程，還能較為準確地預測多組分汽油替代燃料的著火延遲時間，反應不同辛烷值汽油的自燃特性。 (5) 研究了直噴增壓汽油機微粒排放特性和形貌特徵，揭示了不同運行條件下的微粒排放規律，發現直噴汽油機的微粒排放集中在凝聚態區域，而傳統的PFI發動機集中在核態區域，掃描電鏡觀察到直噴汽油機的簇狀顆粒物明顯增多。 (6) 用快速壓縮機在寬廣的溫度範圍內對純N2、Ar和CO2三種稀釋氣體進行了稀釋燃燒研究，發現在負溫度係數區和兩級著火區，熱效應重要，在850 K以上，CO2的化學效應才開始變得比熱效應重要。 發表論文33篇，其中SCI論文22篇，EI論文11篇。申請發明專利3項。