GDI汽油机向小型强化方向发展,发动机在获得热效率提升的同时不可避免带来了爆震、排气温度过高等问题,并且为了满足严苛的排放标准,发动机常以牺牲燃油经济性为代价。发动机喷水技术在理论上具有抑制爆震,降低排气温度和NOX排放等优势,很大程度上迎合了未来发动机的需要。本课题围绕发动机进气道水喷射技术,基于一台4缸GDI汽油机,改装并设计了进气道喷水装置和控制系统,采用发动机试验与Python理论计算、一维性能及三维CFD模拟仿真相结合的方法,研究了进气道喷水对发动机燃烧性能的影响,并探索了喷水技术对发动机性能改善的潜力。水的蒸发气化取决于缸内环境状态。在汽油机进气冲程缸内环境下,可以达到小于0.7的饱和水-油比;并且饱和水-油比会随着环境温度升高而增加,随着环境压力升高而减小,环境的最大温降在喷水量达到饱和水-油比时获得。进气道喷水试验表明,水蒸发气化吸热,降低了缸内温度,并且水在气化后会稀释缸内燃油的浓度以及混合气中氧的浓度,使得缸内火焰的传播速度减慢,整个燃烧相位和燃烧重心滞后,缸内燃烧温度和压力、排气温度相应下降;高的喷水压力既能促进水雾化,又能获得较短的水喷射脉宽,延长了水在缸内混合的时间,两者都有利于水-空气-燃油之间的混合,改善缸内的燃烧。在50%负荷喷水时,辅助点火角优化和功率补偿,发动机在动力性和经济性上没有损失,还降低了NOX、CO排放;而在100%负荷下喷水,水-油比0.3附近时,优化点火角和实现缸内当量比混合气燃烧,发动机在牺牲少许动力性的情况下获得了油耗的显著降低,且发动机爆震、排气温度以及CO、HC、Soot排放会有所改善。而一维GT计算中,在100%负荷下喷水,优化点火角和提高增压压力可以恢复动力性,同时降低油耗、排气温度和改善混合气过浓。此外,三维CFD模拟结果表明,水在缸内与空气、燃油混合时,微爆效应促进了燃油的破碎雾化,改善了缸内混合气分布,使得缸内混合气局部过浓或者过稀的区域减小;同时,液态水的加入,使得缸内流场密度和惯性增加,缸内湍动能随之增加且高湍动能分布的区域进一步扩大,其在一定程度上会促进燃烧火焰的传播。水参与缸内燃烧反应,使得OH自由基、CH2O的浓度相应增加;OH自由基能促使燃料裂解并释放能量,改善缸内燃烧,而CH2O显著生成表征燃烧恶化的开始,其不完全氧化也体现了过多喷水量下缸内燃料燃烧的不充分。