汽油机SI－HCCI混合燃烧中振荡现象的机理研究

Based on the characteristic that flame propagation and the auto-igntion combustion both exist in the hybrid combustion process, the continuous transition between Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) combustion and Spark Ignition (SI) combustion with load change can be achieved through cooperative control of in-cylinder thermal and dilution conditions. However, the practical application and feasibility of continous mode transition is restricted by the apparent oscillations caused by unstable proportion of heat release which result from the sensitivity of auto-ignition process in hybrid combustion. To reveal the mechanism of oscillation phenomenon and explore the corresponding control methods, the in-cylinder sampling technique, the optical diagnostic technique and 3D-CFD simulation will be applied to deeply study the control effect of the in-cylinder temperature and active species distribution and their variation within the same engine cycle on hybrid combustion. Based on the research above, the influence of the temperature and active species transfer process between cycles and their distribution variation on inducing oscillation phenomena will be analyzed to reveal the causes of oscillation. By strengthening the initial flame propagation process, stable heat release of the hybrid combustion under oscillation conditions will be achieved. The results of this study will provide a theoretical basis for the development of high efficiency and low emission gasoline engine, which has important scientific significance of enriching and developing modern gasoline engine combustion theory.

通过协同控制缸内温度和稀释条件，利用混合燃烧同时存在火焰传播和自燃放热的特点，可实现随负荷变化，发动机从均质压燃燃烧到火花点火燃烧的连续过渡。但是在燃烧模式的连续过渡过程中，混合燃烧会遇到自燃放热比例不稳定的振荡现象，引起较大的循环变动，限制了连续过渡过程的实现和效果。为揭示振荡现象产生的原因并找到相应地控制方法，本研究以缸内采样技术、光学诊断技术和仿真计算为依托， 深入研究同一循环内缸内温度和活性组分分布及其变化特征对混合燃烧的控制作用，在此基础上分析混合燃烧中热和活性组分在循环间的传递过程及其分布变化对诱发振荡现象的影响，揭示振荡现象产生的原因；最后通过强化前期火焰传播过程的方式，建立振荡条件下控制混合燃烧放热稳定性的方法。研究成果将为高效率低排放汽油机开发提供理论基础，将成为现代汽油机燃烧理论的有力补充，对于丰富和发展现代汽油机燃烧理论，具有重要的科学意义。

以均值压燃为代表的稀释燃烧技术由于可以同时显著降低发动机的燃油消耗以及氮氧化合物与颗粒物排放，从而成为内燃机领域的热点研究方向。在汽油机领域，混合燃烧是将传统SI燃烧和HCCI燃烧结合起来，形成的一种新型燃烧方式，被认为是最有可能取得实际应用的稀释燃烧方式之一。但是当混合燃烧中自燃放热与火焰传播放热比例相接近时，混合燃烧的放热过程会在连续的工作循环中呈现出巨大循环波动，其中甚至会包括失火和极高强度的爆震循环。这种不稳定的放热现象，被称为“振荡现象”。振荡现象的存在，不但影响混合燃烧的经济性，而且可能导致发动机的损坏，是混合燃烧在实际中应用最大也是最急迫的挑战。本研究通过热力学发动机试验、光学发动机试验、1D热力学仿真和3D-CFD仿真等方法，对可能引起混合燃烧振荡现象的因素开展研究。研究发现：虽然混合燃烧振荡现象的主要表现为后期自燃放热的高循环波动，但是影响自燃放热的边界条件，如温度、废气组分和废气分布等，在循环变动中或属于从动量，或影响效果有限，并不是混合燃烧高循环变动现象的诱因。但是混合燃烧前期火焰传播的微小变化，结合其他叠加因素会导致后期自燃放热的显著波动，因此，在高稀释条件下，火焰传播过程的随机波动才是导致混合燃烧振荡现象的真正诱因。为抑制混合燃烧中的振荡现象，本研究所设计的分层火焰引燃策略和微火源引燃策略，都可以有效降低混合燃烧的循环变动并改善燃油消耗。在基金项目的支持下，培养了2名博士、4名硕士生和1名博士后，目前已经发表SCI刊物论文6篇，接受待发表1篇，在审2篇，国际学术会议论文4篇，申请发明专利1项。