直喷汽油机直接喷油启动瞬变过程燃烧机理和排放控制的研究

The subject is amied at Transient start process of GDI engine. Reasearch on Air-fuel mixing, combustion, generation of harmful emission in cylinder and piston motion are realized and the difference of Chemical dynamics and kinematics from traditional starting conditions are compared by experimental and simulation. Influence of different combustion initial boundary conditions such as different thermo atmospheres、chemical atmospheres and injection energy on combustion and harmful emission formation are analyzed, and these enrich combustion theories of Spark ignition engine in transient condition. Simple and reliable boundary conditions for the stable ignition and combustion in the first cycle and the movement characteristics of the stable-operation for the following starting process are defined. Key factors which affect combustion and emission in transient start process are found out and optimizing control strategies are acquired. The strategies based on active controlling on transient combustion boundary condition are found and used to improve the start performance and reduce emissions pollutants. It provides theoretical basis for GDI engine to realize frequent, fast, efficient and low-emission starting.

本项目针对缸内直喷汽油机直接喷油起动这一特殊瞬变过程，利用实验和模拟仿真等手段研究缸内混合气形成、燃烧过程、有害排放物生成和气缸运动历程及其与传统起动工况的化学动力学和运动学的区别；分析不同热氛围、化学氛围和喷射能量等燃烧初始边界条件对缸内燃烧过程和有害物形成历程的影响规律，丰富点燃式内燃机瞬变工况燃烧理论；界定出简单、可靠的首循环稳定点燃所需的边界条件及后续起动过程能稳定进行的气缸运动特征；确定影响起动瞬变过程燃烧和排放的关键因素及其优化控制策略。基于主动控制瞬变燃烧边界条件的策略提高发动机起动性能、降低排放污染物。为实现缸内直喷汽油机频繁、快速、高效和低排放的起动过程提供理论依据。

怠速起停是一种有效的节能和减排技术措施。借助缸内直喷汽油机能够高柔性地对缸内的喷油及点火参数进行控制的特点，使发动机无需借助起动电机的辅助即可起动起来的直接起动模式能够有效摒弃传统起动方式的一些固有缺陷，有望推动启停技术在缸内直喷汽油机上高效、低成本地普及推广。本项目针对缸内直喷汽油机直接喷油起动这一特殊瞬变过程，利用实验和模拟仿真等手段对缸内混合气形成、燃烧过程、有害排放物生成和气缸运动历程进行了研究；分析了不同起动条件和控制参数对缸内燃烧过程和有害物形成历程的影响规律；确定了直接起动模式实现的条件需求；对比分析了直接喷油起动瞬变工况与传统启动过程的差异。重要结论主要有以下几点：[1] 直接起动模式缸内混合气形成、燃烧过程、有害排放物排放及发动机转动特性与控制参数及起动条件密切相关。[2]适当的两次喷射策略能加快缸内燃烧放热速度、发动机转速提高。[3]活塞初始位置是影响直接起动模式实现的关键因素。正转及反转直接起动模式实现的活塞初始位置范围既有一定的重和，又存在一定的差异。[4]冷却液温度过高或过低直接起动模式实现的活塞初始位置范围均有所减小，70℃冷却液温度时范围最大；提高喷射压力有利于扩大直接起动模式实现的活塞初始位置范围，但影响程度有限。[5]将膨胀缸活塞控制在90-125°CA能在较宽冷却液温度和喷射压力范围内使直接起动模式实现。[6]停机过程增大节气门开度更易于降低气缸内的残余废气量，直接起动模式首循环着火及起动成功概率大幅度提高。同时，增大节气门开度还可使活塞停止在气缸中间位置的概率显著升高。[7]起动机辅助起动模式首循环的着火界限较直接起动模式显著变宽，且其着火行为也更为复杂，会有“自燃”情况出现。通过本项目研究， 一方面丰富了点燃式发动机瞬变工况燃烧理论；另一方面为缸内直喷汽油机直接起动模式推广和应用提供了一定的理论基础和数据支撑。