论文部分内容阅读
可控自燃着火（CAI）能够有效地改善汽油机的燃油经济性,同时实现NOx近零排放。然而,CAI燃烧难以在四冲程汽油机的整个运行范围内应用。针对此问题,本研究提出了分层火焰引燃（SFI）和多点微火源引燃（MFI）汽油混合气的燃烧概念,以扩大汽油机的高效运行区域。在SFI方式下,通过直喷汽油在中置火花塞附近形成易于点燃的浓混合气,在火花点火后形成稳定的分层火焰,加快稀混合气的燃烧。在MFI方式下,直喷（DI）少量二甲醚（DME）,通过DME自燃和/或火花点火形成多点火焰,调控高稀释汽油混合气的燃烧过程。为此,在一台单缸四冲程热力学发动机上,首先试验研究了喷油和点火策略对SFI方式和MFI方式下汽油机燃烧和排放特性的影响,并用三维模拟方法研究了点火时刻对SFI方式下分层火焰和自燃着火之间的关系,最后用高速摄影方法研究了在MFI方式下多点微火源形成的机理。为了扩大汽油机的高效运行范围,将上述新型燃烧方式应用于气门式二冲程发动机。为此,采用一维模拟计算方法预测增压系统匹配和抗爆震方法对气门式二冲程汽油机全负荷性能的影响,以满足汽车动力性的需求。得到如下结论:在理论空燃比下采用SFI方式时,提前点火时刻,着火时刻提前,燃烧持续期缩短。在直喷比例减少时,着火时刻变化很小,而燃烧持续期缩短。在早的点火时刻和低的直喷汽油比例下,放热过程从由火焰传播为主变为以自燃着火为主的混合燃烧。三维计算结果表明,在SFI方式下的分层火焰在向气缸壁传播的过程中,不均匀分布的燃油导致不同方向下火焰面发展速度不同,在发展速度较慢的火焰面附近,未燃混合气受到火焰加热和压缩作用而发生自燃着火。在火花诱发MFI方式下,放热过程由三个阶段组成。阶段I是DME的低温反应;阶段II是DME高温反应和火花点火触发的火焰引起的放热;阶段III是远离中置火花塞的高稀释汽油-空气混合气的多点自燃+火焰传播引起的放热。提高DME喷射量,会使得阶段I和II的放热率增加,同时燃烧相位提前,并加速阶段III的放热速度,缩短燃烧持续期。在低的DME喷射量下,随着点火时刻提前,阶段II和III的放热率增加,燃烧相位提前且燃烧持续期缩短。在无火花点火的MFI方式下,放热过程出现了斜坡型、双峰型和梯型三种型式。在“斜坡型”MFI方式下汽油机能够实现高热效率和低于1 g/k W·h的NOx排放。在净指示平均有效压力（IMEPn）从0.2 MPa增加到0.7 MPa时,过量空气系数从1.5增加到2.7,“斜坡型”MFI方式下汽油机能够实现循环变动系数低于3.5%的稳定燃烧过程和高热效率,同时NOx排放接近于零。其中,在转速为2000r/min和IMEPn约为0.7 MPa时,汽油机的指示热效率达到了44%。可视化试验结果表明,在“斜坡型”MFI方式下,多点火源广泛地分布于气缸内,并且微火源间隔时间较大。在“双峰型”MFI方式下,多点火源主要分布于气缸中心区域,微火源的间隔时间很小。一维模拟结果表明,配备高折合流率的机械增压器和在下游串联低折合流率增压器的0.7×10-3 m3排量的两缸二冲程汽油机能够替代1.6×10-3 m3排量的自然吸气四冲程汽油机。为了在转速为3000 r/min下实现80 k W有效功率,两级串联增压系统需要提供进气压力为0.48 MPa,折合流量为0.156 kg/s的进气。在转速为2000 r/min～3000 r/min区间内,采用喷水方式时,两级串联增压两缸二冲程汽油机在全负荷下的有效燃油消耗率约为222 g/k W·h。