内燃机近壁面区域湍流燃烧机理研究

The turbulence combustion processes in limited space of internal combustion engines makes the near-wall regions formed soot, unburned hydrocarbons and carbon monoxide, and thus affects the thermal efficiency. As to direct-injection engines, the characteristics of the near-wall region in internal combustion engines include three aspects, a large temperature gradient, a large concentration gradient and a large velocity gradient, and thus the combustion process at the near-wall regions are different to that of in-cylinder center regions. In this project, aiming to the near-wall regions in direct-injection internal combustion engines, the experimental works will be carried out on both the constant volume combustion chamber and the optical engine based on multiple advanced macro- and micro- laser diagnostics. Meantime, the new near-wall boundary-layer model and wall-impingement model will be proposed based on the optical measurements. After, by combined optical diagnostics and numerical simulations, the mechanism of fuel-air mixing processes under different temperature and concentration gradients at near-wall regions will be clarified and the effects of micro-scale turbulences in the unstable boundary-layer on combustion processes and emission formation and oxidation will also be investigated. This study has important scientific significance on understanding the combustion mechanism at the near-wall regions and on the development of spray impingement and boundary-layer models. In addition, it has important engineering application values on searching the better control methods to reduce the emission formation at the near-wall regions.

内燃机受限空间内的湍流燃烧过程使近壁面区域成为碳烟、未燃碳氢、一氧化碳等未完全燃烧产物的重要生成区域，进而影响发动机热效率。缸内直喷内燃机近壁区域存在很大温度、浓度和速度梯度，因此近壁面区域的混合气燃烧过程与气缸中心区域的燃烧特性存在明显差异。本项目将针对直喷内燃机近壁面区域，在定容燃烧弹和光学发动机上应用多种先进的宏观和微观激光诊断开展试验研究，并基于光学测量结果发展近壁面边界层、撞壁等数学模型，进而将光学诊断与数值模拟相结合，探明内燃机壁面附近不同温度、混合气浓度和速度梯度对近壁区域混合气形成过程的影响机理以及非稳态边界层内的微尺度湍流对近壁面燃烧反应过程和污染物生成演化历程的影响机理。本研究对揭示内燃机近壁面区域喷雾混合、燃烧和污染物生成氧化机理以及近壁面区域撞壁、流动模型的发展具有重要科学意义；对寻找有效减少近壁面区域污染物生成的发动机控制策略具有重要工程指导价值。

内燃机受限空间内的湍流燃烧过程使近壁面区域成为碳烟、未燃碳氢、一氧化碳等未完全燃烧产物的重要生成区域，进而影响发动机热效率。缸内直喷内燃机近壁区域存在很大温度、浓度和速度梯度，因此近壁面区域的混合气燃烧过程与气缸中心区域的燃烧特性存在明显差异。本项目针对直喷内燃机近壁面区域，在燃烧器、定容燃烧弹和光学发动机上应用多种先进的宏观和微观光学诊断方法开展试验研究，探究了壁面参数（温度和高度）对近壁面火焰温度、燃烧中间产物和碳烟的影响，研究了近壁面燃油撞壁的喷雾结构及燃烧特性，研究了燃油撞壁对发动机燃烧和未燃碳氢排放的影响；结合光学诊断实验数据还发展了喷雾撞壁模型，应用发展的模型分析了近壁面区域火焰的发展过程和碳烟的生成演化历程。研究对揭示内燃机近壁面区域喷雾混合、燃烧和污染物生成氧化机理以及近壁面区域撞壁、流动模型的发展具有重要科学意义；对寻找有效减少近壁面区域污染物生成的发动机控制策略具有重要工程指导价值。.基于上述研究内容，在项目执行的3年期间，发表学术论文60篇，其中SCI收录论文28篇（1篇进入ESI高被引论文，学科顶级刊物Combustion and Flame发表4篇，Proceedings of The Combustion Institute发表2篇）；国际会议论文10篇（2篇国际燃烧学会会议论文，2篇SAE International论文获Best-of-the-best优秀论文）；作为主编（共同）出版中文编著2部；申请国家发明专利28项，授权国家发明专利9项、软件著作权1项，公开国际PCT专利3项；受邀在国际国内会议做大会及特邀报告3次；培养博士研究生2名，硕士研究生9名；基于本项目的部分研究成果，获得2017年国家科技进步二等奖（排名第5），2018年天津市自然科学二等奖（排名第1），2016年天津市技术发明一等奖（排名第5）。