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原文传递基于柴油机平台中载汽油机爆震燃烧机理及燃烧调控策略研究

论文题名：	基于柴油机平台中载汽油机爆震燃烧机理及燃烧调控策略研究
关键词：	中载商用车;汽油机;爆震燃烧;柴油机平台;燃烧控制;热效率
摘要：	基于柴油机平台中载汽油机可以在保证和柴油机共线生产的条件下实现和柴油机类似的低速扭矩特性，同时采用当量燃烧能够显著降低后处理成本，因此在中载商用车领域具有良好的应用潜力。但是，由于其强化程度高、强涡流、缸径大等特征，爆震倾向严重，直接影响发动机的燃油经济性。为此，本文采用数值模拟和台架试验结合的方法开展基于柴油机平台中载汽油机高效燃烧技术的研究，揭示了基于柴油机平台中载汽油机的爆震抑制机理，提出了基于湍流、燃料特性和废气稀释协同的中载汽油机高效燃烧控制策略，为发展中载商用车的高效汽油机燃烧理论提供理论依据。　　本文首先研究了低速大负荷工况爆震燃烧时火焰传播速度对末端混合气自燃模式及爆震强度的作用机制，评估了基于强滚流的快速燃烧技术对爆震边界内热效率提高的潜力。结果表明，随着火焰传播速度的增加，末端混合气的自燃行为发生改变，依次为：单热点顺序自燃、多个热点顺序自燃及其相互作用、初始热点诱发的均质自燃及火焰面诱发的顺序自燃，爆震强度呈现先增加后降低的趋势。火焰传播速度可以通过控制未燃区温度场的均匀性来改变自燃模式，进而影响自燃速度和爆震强度。在爆震临界工况提高滚流比，火焰传播速度和抗爆性能之间存在折中关系，热效率先降低后增加。当滚流比到达临界值后，点火时刻对爆震调控的敏感性降低，继续提高滚流比基本不会对抗爆性能和燃烧持续期产生影响，热效率变化较小。因此，滚流比对热效率的改善存在一个限值。　　为揭示缸内气流运动对爆震及热效率的影响，本文基于柴油机平底缸盖设计了能够实现包含强涡流、斜轴涡流、强滚流的五种燃烧系统结构，采用三维数值模拟的方法研究了低速大负荷工况五种方案的缸内湍流、爆震燃烧及正常燃烧过程，结果表明通过进气道和燃烧室结构的协同优化能够最大程度地提高缸内滚流及湍流强度，和原机相比，火花塞周围的湍动能可提升近3倍，促进初期火焰传播。而主燃烧阶段的燃烧速率和缸内湍动能的相关性较差，同时受到湍动能及火焰面发展形状的影响。增加缸内滚流成分会导致火焰面发展不对称，降低燃烧速度，同时在火焰面发展受限的位置极易形成潜在热点诱发自燃。不同流场结构下，火焰传播速度对爆震强度影响的主导机制不同。强涡流燃烧系统中提高缸内滚流比，能够通过缩短末端气体滞留时间有效抑制爆震；然而在斜轴涡流和强滚流燃烧系统中增加滚流比，火焰面的压缩加热作用增强，末端气体活性更高，加之温度分布较为均匀，自燃速度增加，导致爆震强度急剧上升。优化后的斜轴涡流系统可以在加速燃烧的同时提高抗爆性能，并降低传热损失，和原柴油机平台的燃烧系统结构相比，热效率提高2.76%（绝对值），更加适用于基于柴油机平台的中载汽油机。　　高敏感性(OS)燃料在高强化发动机上表现出了更强的抗爆能力，但其中的内在影响机制还需进一步探明。为此，本文研究了不同OS的汽油替代燃料在低速大负荷工况下的抗爆性能随点火时刻及压缩比的变化规律，包括基础燃料(PRF)、乙醇参比燃料(ERF)和甲苯参比燃料(TRF)，在此基础上，通过台架试验研究了汽油中乙醇掺混比例对热效率的影响。结果表明，提高敏感性降低末端气体的反应活性有一定的条件限制。随着点火时刻的提前，高OS燃料抑制爆震的能力逐渐减弱。在高压缩比工况，除OS之外的燃料特性对爆震燃烧过程产生重要影响，仅用RON和OS不能准确描述其抗爆性能。相似OS下的ERF和TRF燃料在负温度系数(NTC)区滞燃期行为的差异是影响其对自燃着火化学效应的主要因素。提高压缩比，高敏感性的ERF燃料的化学抗爆性能增加，和汽化潜热的冷却作用协同降低混合气活性，表现出更好的抗爆潜力。提高汽油中乙醇的掺混比例，能够有效抑制爆震的同时提高热效率，且随着负荷的增加，改善效果更加明显。　　最后，通过发动机台架试验研究了不同燃烧控制策略对基于柴油机平台中载汽油机热效率及当量燃烧负荷边界拓展的影响。结果表明，采用复合进气道和倒楔形燃烧室的方案能够同时提高EGR容忍度以及高EGR稀释下的燃烧速度，对热效率的的改善作用最为明显，且改善幅度随着负荷的增加而增大。在中高负荷工况，提高乙醇掺混比例能够通过提前点火时刻和加速高EGR稀释下的中期燃烧速度使燃烧相位提前，进而提高热效率。基于斜轴涡流快速燃烧系统，采用E20燃料耦合23.9%的EGR调控燃烧，可将最高有效热效率BMEP负荷提高到1.15MPa，最高有效热效率相对原机提高1.68%（绝对值）。
作者：	赵旭敏
专业：	动力工程及工程热物理
导师：	尧命发
授予学位：	博士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2021