柴油机早喷"湿壁"及颗粒排放物生成机理研究

Early injection is a key strategy to meet clean and high-efficiency combustion, while it can result in cylinder wall wetting. In this project, the mechanism of wall-wetting and particulate matter (PM) evolution by early injection will be investigated based on combustion theory and chemical kinetics coupling with CFD simulation and experiment. The main content include: the mixture formation process and wall wetting process study during early injection using laser diagnosis and CFD simulation; the particulate matter formation and evolution study using whole cylinder sampling system; the wall-wetting control strategies research by coupling multiple method. Through the above investigation, the mechanism of combustion process and PM emission under early injection can be revealed more deeply and some new theory and technology can be used to control diesel emission.

柴油机早喷技术是实现高效清洁燃烧必要的技术措施，而燃油早喷会导致缸套湿壁现象的发生。本申请项目提出柴油机早喷湿壁及颗粒排放物生成机理研究，是以内燃机燃烧学和化学反应动力学为基础，以数值模拟和实验测试技术等为手段，开展燃油喷雾湿壁机理及颗粒排放物生成过程的研究。其主要内容包括：采用激光诊断技术和CFD 多维模拟研究燃油早喷过程混合气形成过程及燃油湿壁演化过程及机理；采用全气缸取样系统开展燃油湿壁过程中颗粒排放物生成演化历程研究；采用多种技术途径开展避免燃油湿壁的控制措施研究等。这些研究为揭示燃油湿壁导致的燃烧过程变化机理以及湿壁对排放产物的影响机理具有重要的理论意义，是对柴油机燃烧过程及机理的进一步揭示，在工程实际中可以为内燃机燃烧及排放控制技术提供新的理论和技术。

早喷技术是实现高效清洁燃烧必要的技术措施，而燃油早喷会导致缸套湿壁现象的发生。本课题以内燃机喷雾、燃烧学为基础，以光学测试技术和模拟仿真技术为手段，进行了系统的研究。在自主搭建的定容弹系统中，利用光学诊断技术研究了柴油喷雾撞壁过程中附壁燃油量和附壁油膜形态的演变规律以及雾束撞壁后沿壁面的铺展、卷吸情况，基于实验结果，提出了具有理论和应用价值的关于附壁燃油率和附壁油膜分布形态特征的经验公式。为了研究柴油喷雾撞壁过程中近壁处混合气浓度分布及流场特性，开展了模拟研究。为了考察早喷对实际发动机工作的影响以及控制早喷湿壁，采用实验和模拟相结合的手段，研究了早喷参数对实际发动机工作过程各项性能的影响，提出了避免燃油湿壁的控制措施。.柴油喷雾撞壁过程的研究中，在所自主搭建的定容弹系统上，结合油膜测厚仪和高速摄影围绕柴油撞壁过程附壁油膜的特征进行了研究，探讨不同喷射条件、不同环境条件以及燃油性质对雾束撞壁过程中燃油附壁率规律、油膜厚度分布规律、卷吸高度规律和铺展半径规律的影响，通过无量纲分析，得到了关于油膜特征参数的经验公式。并采用仿真手段考察了混合气形貌分布、浓度分布以及流场分布。研究发现，撞壁燃油质量、近壁区域燃油飞溅/铺展阻力、近壁区域卷吸强度以及混合时间是影响近壁区域混合气呈现不同分布的主要因素。.在早喷参数对实际发动机工作过程影响的模拟研究中发现，除喷雾锥角为80°的情况以外，随着早喷参数的改变，HCCI柴油机整机HC/CO排放主要取决于湿壁区域HC/CO排放的大小。湿壁区域HC/CO排放主要受到两方面因素的影响，其一为残余附壁油膜质量，其二为湿壁区域混合气分布均匀度。在喷油时刻以及喷雾锥角的选择上，首先应考虑到燃油喷雾的撞壁位置，撞壁位置应尽可能设定在活塞头部与燃烧室上沿的交角处。.为了考察早喷策略对发动机排放物的影响规律，进行了早喷发动机台架实验研究，结果表明：随着喷油提前角的增加，一氧化碳排放增加，直至上止点前40°左右趋于稳定，而早喷油量越多，其增长幅度越大。对于碳氢化合物，随着喷油提前角的增加，其排放增加，在低转速小负荷时，早喷油量越多增长幅度越大，而在中等转速和负荷时规律不明显。随着润滑油粘度的提高，其基本碳粒子的粒径减小，微晶尺寸减小，微晶曲率增加，石墨化程度降低，其中可挥发性组分增加，说明颗粒物结构更加无序，缺陷化程度更高，更易氧化。