随着大气污染和能源短缺的问题日趋严重,世界范围内的排放法规越来越严格,这都对内燃机行业的发展提出了新的要求和挑战。广大研究者从多个角度出发寻找适用于柴油机的新型燃烧模式,实现内燃机的高效清洁燃烧。本课题依托国家自然科学基金研究项目,基于进气组分与燃料特性系统控制的思想针对柴油机高效清洁燃烧的目标探索,采用进气补氧、废气再循环及可调进气方案等方式改变进气组分和缸内各组分分布形式,同时采用正丁醇作为添加剂与低硫柴油按不同体积分数配置成不同理化特性的含氧混合燃料,通过三维数值模拟计算和热力学台架试验等手段,探索不同进气组分及进气方案对发动机燃用不同燃料时燃烧及排放特性的影响规律,揭示缸内活化组分控制对颗粒物生成及演化历程的影响机制和作用机理,进一步深入探索通过缸内氧浓度分布等燃烧边界条件与燃料特性之间协同控制改善燃烧和排放的技术措施,对比分析纯柴油与正丁醇/柴油混合燃料对发动机燃烧和排放影响的差异。具体研究结果如下:1、首先进行进气组分对发动机燃用不同燃料的燃烧及排放规律试验研究。结果显示进气补氧会导致滞燃期与燃烧持续期缩短,有利于提高发动机热效率。在大比例EGR的条件下采用适当的补氧量可以同时降低微粒和HC排放。EGR率为20%时,与不引入氧气相比,在进气补氧量为4%的条件下燃用B15和B30燃料的HC排放分别下降了52%和46%,积聚态微粒质量排放分别下降了55%和75%,指示热效率分别提高了2.4%和3.1%。此外,虽然NOx排放会随着进气补氧大幅提高,但在引入EGR的条件下NOx的排放仍低于原机,因此进气补氧与EGR的协调配合可同时降低NOx和微粒质量排放,同时保证发动机热效率基本不变。2、对于正丁醇/柴油混合燃料进行了燃烧及排放试验研究,结果表明,在发动机中等转速、中等负荷试验工况下,随着正丁醇比例的提高滞燃期延长,预混合燃烧比例提高,燃烧持续期有所缩短。发动机燃用正丁醇/柴油混合燃料时碳烟排放相较于柴油大幅下降,但NOx和HC排放有所提高。对微粒排放特性分析可知,EGR率的提高会导致微粒质量浓度显著提高,与此同时核态微粒数量排放下降,而积聚态微粒数量排放有所增加。进气补氧可显著降低微粒质量排放。当EGR率较小时,进气补氧可减少微粒数量排放,而在大比例EGR的条件下,可导致核态微粒和积聚态微粒数量排放增加。3、基于数值模平台对缸内各污染物生成场进行了计算分析,依据计算结果确定了不同进气方案对于缸内氧浓度梯度分布的影响规律。其中切向气道引入富氧空气,螺旋气道引入EGR的进气方式有利于形成中间区域高周侧较低、上部区域高下部区域低的氧浓度分布形式,且与均质进气相比该进气方案能同时降低NOx、HC和Soot的排放。进一步通过试验验证该进气分层方案对不同燃料燃烧和排放影响规律可知,与均质进气相比,在分层进气的条件下的NOx、HC和微粒排放均有不同程度下降。同时进气分层能够有效降低核态微粒数量浓度,但对于积聚态微粒数量浓度的影响不显著。与均质进气相比,分层进气条件下柴油和B15燃料的核态微粒质量浓度分别下降54%和11%,积聚态微粒质量浓度分别下降10%和14%。4、选择排放特性较为优异的B15燃料作为试验燃料,对进气组分分层对燃烧和排放的影响规律进行试验研究。结果显示,进气分层在一定程度上降低了缸压和放热率曲线峰值,从而降低了缸内温度。同时可以发现存在确定的EGR率和进气补氧量使得进气分层对燃烧的影响最为显著。进气分层对各种染物排放都有抑制作用,其中随着EGR率的提高,进气分层对NOx排放的抑制效果逐渐提高;在微粒排放效果较差的条件下,进气分层对微粒排放抑制效果更为显著,而当微粒数量浓度和质量浓度下降到一定水平之后,进气分层对微粒数量浓度抑制效果减弱。