高稀释条件下微火源引燃低温燃烧机理及稳定性调控的基础研究

Diluted low temperature combustion is among the major principles in improving the overall efficiency of gasoline engines using high octane-number fuels. In order to overcome the limitations of combustion stability at highly diluted and turbulent conditions within the cylinder, one effective way is through the introduction of micro flame ignition in the means of direct injection of highly auto-ignitable fuels to provide a controllable source of high energy ignition to achieve stable ignition of the fuel-air mixture, optimized flame propagation and multiple auto-ignition. This research is intended to investigate the development of the micro flame ignition, in both the concentrated and scattered modes at highly diluted and turbulent conditions, including its formation, extinction, growth and movement and ignition of the surrounding fuel-air mixture. Aiming at a series of regulation strategies of stable diluted combustion, this research is also focused on the influences of control parameters, including the valve movements, sprays and elevated intake pressures, on the in-cylinder mixture and temperature distribution and the turbulent flow. The research is of theoretical importance in understanding the influences of turbulence on diluted combustion of gasoline engines and approaching regulation strategies of the combustion stability at highly diluted and turbulent conditions. The research also practically supports further development of gasoline engines towards higher overall efficiency by realizing controllable diluted combustion.

高稀释低温燃烧是实现高辛烷值燃料高效燃烧的重要途径，是汽油机燃烧的主要发展方向。目前面临的主要难题是：如何解决汽油机缸内受限复杂流场中高稀释条件下燃烧的不稳定性。为此，本申请提出 “微火源引燃燃烧”概念，通过向燃烧室内喷入高可燃性燃料，在流场作用下形成微火源在缸内的空间分布，进而引发缸内稳定的火焰传播和多点自燃。本申请拟从缸内湍流运动与微火源相互作用角度，深入研究高稀释条件下多尺度湍流对聚集型和离散型微火源的的形成、发展、淬灭、引燃及相互作用机理；研究增压、气门运动、燃料喷射策略对缸内流场、组分及温度分布的调控规律，探究微火源引燃燃烧稳定性的调控机制。研究结果对于理解受限条件下湍流对高稀释燃烧的作用机理，探索高稀释燃烧稳定性的调控方法，具有重要的理论价值；其理论体系的建立也会支持汽油机产业技术升级，具有重要的现实意义。

为解决汽油机缸内高稀释条件下燃烧的不稳定性，本研究通过向燃烧室内喷入高可燃性燃料形成微火源，引发缸内稳定的火焰传播和多点自燃。总体目标是研究高稀释条件下，在汽油机燃烧室这种有限空间内，组分复杂的流体中不同组分和温度的空间分布以及湍流运动对微火源形成、发展、相互作用的影响，并寻求有效调控微火源的手段，以便实现极端条件下汽油机的稳定高效燃烧。研究采用了热力学单缸发动机、带有光学测量技术的光学发动机和计算流体力学耦合化学反应动力学仿真等手段，分析了在高稀释条件下集聚型和离散型微火源的产生、发展过程，揭示了微引燃控制混合燃烧过程的内在机制，建立了高稀释燃烧稳定性控制策略。在此过程中，研究人通过国际合作构建了可同时反应火焰传播和自燃放热特性的DME-PRF化学反应机理；通过光学实验和三维仿真研究发现，离散型微火源提高了整缸反应活性，使前期火核形成和火焰传播更为稳定；集聚型微火源初期以高可燃性燃料消耗为主，高发挥高能点火源的作用，扩大了自燃发生的局部边界条件；随着高可燃性燃料-二甲醚加入，缸内汽油会与二甲醚发生预反应，产生大量甲醛，提高缸内的燃料活性；通过热力学发动机实验验证了综合利用集聚型和离散型微火源改善高稀释条件下汽油混合燃烧稳定性的控制方法，在此基础上结合高压缩比和米勒循环等调节缸内温度-压力历程的边界控制技术，显著提高汽油机发动机的热效率。在2000r/min IMEP7bar 的工况点，单缸热力学发动机净指示热效率达到了46.5%。和传统SI燃烧相比，在不同工况下热效率改善幅值均超过20%，最大可改善32%。本研究已发表SCI刊物论文2篇，国际会议论文1篇，中文核心论文2篇，申请专利2项，培养博士毕业生2名，硕士毕业生5名。研究结果深化和完善了高稀释汽油燃烧理论，对于建立高稀释燃烧稳定性的调控方法有重要的工程意义，为汽油机技术升级提供了可行的路径。