水对小型强化汽油机燃烧和排放的物理化学作用机理研究

Knock is the main factor to limit the improvement of the performance of turbocharged downsized gasoline engines. In the present study, water direct injection in the cylinder as a novel technology is proposed to reduce the engine knocking trend and improve the engine performance. By the comprehensive use of engine experiments, optical diagnostic and numerical simulation, the physical and chemical effects of this technology on combustion process, performance and emissions will be investigated. The engine experiment platform will be achieved by installing water injection system in the turbocharged direct injection gasoline. Based on this platform, the potential of the direct water injection technology will be studied in reducing the detonation trend and improving the fuel economy compared with common technologies (such as fuel enrichment, Exhaust gas recirculation and delayed spark advances). In order to explain the experimental phenomena more comprehensively, Laser Induced Fluorescence technology in the optical engine will be used to investigate the mixture distribution characteristics and the formation characteristic of the key combustion intermediate species (OH and CH2O) on the condition of water injection. The optical results will be combined with zero-dimensional detailed chemical kinetics analysis to reveal the chemical effects of water on the combustion. Finally, the CFD coupled chemical kinetics model will be used to analyze the effects of direct injection of water on the formation of the mixture, combustion process and emissions, and the multi-parameter optimization of the engine injection based on the water injection strategy and fuel injection strategy.

爆震燃烧是限制增压直喷汽油机性能提高的主要因素。本研究提出了采用缸内直接喷水技术减弱发动机爆震趋势，提高发动机性能。拟综合应用发动机台架实验、激光诊断技术和多维数值模拟等手段研究该技术对燃烧过程、性能和排放的物理化学作用机理。通过改造增压直喷汽油机加装喷水系统搭建台架实验平台，在此平台上研究缸内直接喷水技术与常规技术相比（加浓混合气、废气再循环、延迟点火）在减弱爆震趋势、改善燃油经济性等方面的潜力；为了更深入的解释实验现象，利用激光诱导荧光技术测量喷水条件下混合气浓度分布特性及燃烧过程中重要的中间产物（OH和CH2O）生成特性，并结合零维详细化学动力学模型分析水除了蒸发吸热的物理作用外对燃烧过程的化学作用机理；最后采用CFD耦合化学动力学模型进行缸内直接喷水对混合气形成、燃烧、排放的影响机理分析和基于水喷射策略、燃油喷射策略的多参数优化的发动机爆震趋势、性能、排放分析。

为进一步研究喷水在抑制发动机爆震、提升发动机性能方面的潜力,本项目搭建了缸内直接喷水和进气道喷水试验平台，开展了喷水技术对小型强化汽油机燃烧和排放的影响规律研究。首先进行了试验研究喷水策略（喷水压力、喷水量、喷水时刻）对发动机的性能和排放的影响规律。研究表明喷水的冷却和稀释作用可以有效的抑制爆震现象，随喷水时刻推迟，压力提高，比例增大，优化点火时刻，发动机性能提升幅度增大，并且在点火时刻优化的基础上结合稀薄燃烧能大幅提高指示热效率。基于喷水对爆震的有效抑制作用，通过增加循环喷油量与进气量，扩展极限负荷。同时研究表明，在喷水扩展的大负荷工况下结合稀薄燃烧实现了发动机大负荷下燃油经济性的进一步提高。但随负荷的进一步增加，受限于稀薄燃烧时的爆震及失火现象，稀燃极限变小，指示热效率提升幅度较小。随着过量空气系数的增加，受缸内峰值温度的影响，NOx先升后降，CO和HC先降后升，排气温度降低。然后，为了研究喷水对混合气分布和燃烧中间产物的影响，本项目构建了适用于爆震燃烧的五组分汽油替代物反应机理和CFD三维GDI发动机模型，分析了喷水对燃烧和排放的影响机理。CFD模拟确定了爆震发生的位置，在缸内直接喷水的策略下，较少的喷水量的水雾基本分布在整个缸内区域，喷水温度的增加延迟了CH2O的生成，喷水压力的增加降低了CH2O和H2O2的浓度峰值。缸内直接喷水比进气道喷水抑制爆震效果更佳。然而，相对于缸内直接喷水，进气道喷水对缸内混合气的分布具有显著影响。对燃烧过程的研究表明，缸内喷水时刻的滞后，水雾滴速度在燃烧过程中运动速度很快且与火焰传播方向相反，水雾滴能够到达火焰表面产生强化燃烧的作用，加快火焰传播速度，瞬时放热率达到峰值。