发动机&排放专题2023年
直喷汽油（ GDI）发动机中闪沸喷雾具有促进油气混合的优势，但其发生喷雾坍塌的现象会对燃烧与排放带来不利，并且研究发现喷雾坍塌与单射流行为密切相关。因此，为了减轻喷雾坍塌并充分利用GDI发动机中闪沸喷射的优势，了解闪沸射流行为极其重要。本文选择了由5孔喷油器改造而成的单孔喷油器，选用正己烷与异辛烷燃料，在定容燃烧弹中进行试验研究。所选燃油温度为30到130 ℃，环境背压为0.2到1 bar。通过分析射流宽度与过热度、成核速率、化学势以及环境背压等不同参数的关系，发现射流宽度与?μ·pamb-0.5的相关性达到0.9以上，表明具有较好的相关性，且在近喷口附近射流宽度由相变化学势与环境背压所影响。
为预测柴油机碳烟排放的粒径分布，选用90%摩尔分数的正庚烷和10%摩尔分数的甲苯作为柴油替代物，分别构建气相动力学机理和表面动力学机理，并将二者耦合，构建成柴油替代物机理（简称HTS机理），将HTS机理结合矩量法数值模型进行了机理验证，并通过改变进气发动机进气氧的体积分数，进一步研究了氧浓度对碳烟粒径分布的影响。研究结果表明，在滞燃期、层流火焰速度、预混火焰关键组分、预混火焰碳烟粒径分布、柴油机缸压与放热率以及柴油机排放物生成等方面，应用HTS机理计算的模拟值与试验值基本一致。使用HTS机理研究氧浓度对碳烟粒径分布的影响表明：随着氧浓度的增加，碳烟颗粒平均数密度降低、数密度峰值减小、数密度峰值对应的颗粒物直径增大；且小粒径（直径0 ~ 50 nm）碳烟的数密度随之降低。
混合动力汽车是降低整车CO2排放和污染物排放的有效解决方案。提升混动发动机最高热效率，并扩大常用工况高热效率区可以有效降低整车燃油消耗。根据混动技术平台需求，开发了一款2.0T高效稀燃混动发动机。该发动机采用高压缩比，大程径比和深度米勒循环，使用高滚流气道设计实现了过量空气系数1.8的超稀薄燃烧。凭借先进的燃烧系统和降摩擦设计，该发动机实现了44%的有效热效率。同时，41%以上热效率区域覆盖了转速从1 000到4 000 r/min发动机混动常用工况点，确保了出色的整车燃油经济性。此外，高效稀燃发动机还实现了115 kW的最大功率和240 N·m的转矩平台，保证了混动系统的动力性需求。
为研究柴油机颗粒捕集器（DPF）内由积灰形成的灰塞对颗粒（PM）捕集特性的影响，构建DPF孔道及灰塞的CFD模型，采用连续相耦合离散相方法，研究灰塞的堵塞比、长度、位置、数量对DPF孔道内的流场及PM捕集特性的影响。结果表明：对于DPF孔道内的气流运动而言，灰塞的位置和堵塞比对压降的贡献大于数量和长度，尤其是第1个灰塞的分布位置对压降具有决定性作用。灰塞会改变DPF内PM的沉积模式，受“突扩效应”影响在灰塞出口端的回流区会加剧PM分布的不均匀性。孔道内灰塞分布前移，会使PM的沉积不均匀，随灰塞分布后移，PM沉积逐渐前移且分布更均匀。
全球变暖使得机动车排放的温室气体受到重视。为量化温度对车辆CO2排放的影响，本研究在-10、0、23和40 ℃的环境温度下对一辆轻型E10汽油车进行了WLTC测试循环，发现热起动时-10和0 ℃的CO2排放因子相较23 ℃分别高了10.4%和20.8%，冷起动时车辆实现完全热机的时间长于国六标准要求的300 s。相对偏差因子RF在车辆完全热机时接近于1，而23和40 ℃分别在RF4和RF3接近1，说明环境温度越高，实现完全热机所需的时间就越短。-10 ℃时绝对偏差因子AF1和AF2分别是23 ℃的1.98倍和3.63倍，量化了冬季与夏季车辆冷起动CO2 排放的差距。累积CO2排放与怠速CO2排放因子存在很强的相关性，可用于建立或修正微观CO2排放模型，并建议在评估车辆CO2排放时考虑环境温度的变化。
本文中研究了可变进气正时（IVT）、可变排气正时（EVT）和可变进排气正时策略（IEVT）形成的气门重叠角对缸内直喷汽油机燃烧和微粒排放的影响。研究发现在小负荷下3种正时策略中正气门重叠角的增加均会导致缸内残余废气量增加，滞燃期和燃烧持续期推迟和延长，油耗和HC排放均先减小后增加，NO x 排放减小。在相同气门重叠角下，EVT的残余废气量最多，IVT对泵气损失改善最大达15.6%。相比IVT和EVT，IEVT在60 °CA的重叠角仍稳定燃烧且减少了传热损失和排气损失，油耗可降低8.67%，NO x 减少了96.57%，微粒总数减少了89.43%。
为满足国六排放法规中在用车辆16万km RDE（real driving emission）检查要求，对两辆耐久老化车辆展开苛刻的1 ℃环境下转毂激进RDE试验研究。通过调整发动机的控制策略，对试验中NO x 排放偏高的两个极端工况：冷起动后急加速及热机起步急加速至超高速阶段的运行参数进行优化，然后在多种组合下的转毂循环及实际道路行驶排放中对优化前后的策略进行了对比验证。结果表明：VVT、过量扫气系数、目标空燃比及老化催化器窗口控制分别对耐久老化车辆的冷、热机超大负荷运行工况下NO x 排放量影响较大，合适的策略可使NO x 整体下降超40%；先基于耐久老化车辆开展转毂激进RDE开发，再进行实际道路行驶排放验证，是一种有效的RDE开发方法。
预混合燃烧和扩散燃烧是柴油机的基本燃烧模式，本文选取高压共轨直喷柴油机两种典型燃烧室：缩口型燃烧室和扩口型燃烧室，通过仿真计算研究在不同背景气流环境下基于卷吸效应的混合气形成机理。结果发现：喷射初期油束贯穿背景气流时，油束表面小尺度涡流引起的卷吸效应是形成预混合气的主要原因；对一定的喷射条件不同背景气流直接影响卷吸效应；缩口型燃烧室喷射初期卷吸作用强，预混合速率较快，且大部分燃料在燃烧室内部强滚流的作用下快速扩散燃烧，所以属于预混合扩散燃烧（PDC）模式，虽预混合燃烧占比小，但高温区宽；扩口型燃烧室虽喷射初期卷吸效应相对较弱，预混合燃烧速率较低，但油束冲击壁面凸台后形成二次预混合过程，使预混合气形成持续期延长，预混合燃烧占比大，形成双预混合扩散燃烧（DPDC）模式，通过这种DPDC燃烧模式可减小高温区域面积，由此有效抑制NO x 的生成。
为研究多频压力波动与喷嘴内流的因果关系以及对近场喷雾的影响机理，采用高速显微成像技术，开展了不同共轨压力下多次喷射过程真实尺寸锥形孔喷嘴可视化试验研究。同时通过高压传感器测量，得到喷嘴入口压力波动数据。研究结果表明：主喷过程喷雾锥角呈靴型趋势，由发展期、转化期、稳定期和衰减期组成，其整体趋势受喷射压力的影响，过程中存在空化形式的转变。预喷和后喷等小油量喷射过程中，存在针阀升程波动导致的不一致性。喷嘴处压力降与循环喷油量水平呈正相关，空化形式的转变影响了压力波动频率和传播速度。其中几何诱导空化形成时，压力呈低频波动，而线空化形成时，产生高频压力波动趋势。
随着环境污染和能源消耗问题的日益严重，寻求清洁可替代燃料与新型燃烧技术已经逐渐成为当今发动机的研究重点。本文对一台柴油-天然气-氢气三燃料RCCI发动机进行数值模拟计算，探究了不同氢气添加比例对发动机整机性能的影响。研究结果表明，随着氢气添加比例的增加，缸内混合气的燃烧速率显著提升，缸内压力峰值逐渐增加且出现峰值的相位提前，缸内平均温度增加；同时，发动机指示热效率增加，等效指示燃油消耗率减小，发动机的燃油经济性得到提升；由于压力升高率与声响强度在可允许的范围内，发动机的运行工况良好；另外，排气温度会随氢气添加比例的增加而降低，废气能量呈现下降趋势。综合来看，适当增加氢气添加比例，对改善发动机的整机性能有利。
针对低温环境下重型柴油机的冷起动，提出了喷雾撞击热壁面引燃、回流稳焰的进气预热方案。基于自主设计搭建的预热实验装置，研究了不同风速、喷油落点、喷油策略下的温升和燃烧特性，并开展了CFD数值模拟。实验结果表明：着火和温升对喷油落点呈较强的敏感性，加热板存在最佳位置，风速10 m/s下的平均温升速率达到4.24 ℃/s。为了兼顾温升速率、燃烧效率和维护成本，高风速下须采取喷射周期为20~25 ms、喷射脉宽为1~3 ms的喷油策略。高速液滴撞击加热板表面后发生回弹和破碎，属于Leidenfrost破碎模式。模拟结果显示：扰流板形成了局部风速低于5 m/s的回流区，促进了蒸发和油气混合，有利于着火和火焰稳定；针对喷射频率合理匹配喷射量，本质上是调控燃烧持续期与喷射周期相适应，使燃油充分利用，提高温升和放热速率。
本文采用湍流火焰传播速度模型描述火花点燃（SI）燃烧，针对单个自燃点仍采用湍流火焰传播速度模型，将所有自燃点的当量湍流火焰速度集合作为总当量湍流火焰速度用来描述压燃燃烧，进而建立了火花辅助压燃（SACI）准维燃烧模型。基于该模型研究了空气、外部废气再循环（EGR）稀释对SACI的影响，仿真和实验匹配良好。计算表明：SACI的火焰传播速度高于SI，随点火提前而增大，外部EGR稀释的火焰传播速度低于空气稀释；点火推迟或者增加外部EGR都会导致火焰前锋面面积峰值升高，衰减速度减慢，燃烧等容度减弱；稀释率相当时，空气稀释的热效率更高，但外部EGR稀释的尾气后处理更容易。
基于一台三缸1.5TGDI增压直喷发动机研究了三火花塞点火均质稀燃对发动机性能的影响。结果表明：三火花塞可有效拓展稀燃极限，压缩比15时，采用三火花塞在2 000 r/min、8 bar BMEP的特征工况点可实现lambda 1.95的稳定燃烧，最低油耗相比单火花塞降低约5 g/（kW·h），NO x 原始排放可降低至约50×10-6，此时lambda受增压能力限制难以进一步增加；压缩比增加至16所能实现的最低油耗相比压缩比15改善不明显，且稀燃极限有所下降。三火花塞对爆震倾向改善作用较小，但可显著加快稀混合气的燃烧速率，相同lambda条件下其燃烧持续期相比单火花塞可缩短约3-6°CA，lambda 1.95时的燃烧持续期相比当量燃烧仅增加约2°CA。通过对潜在最高热效率的研究表明，采用三火花塞设计可在压缩比15条件下最终实现45.02%的有效热效率。
发动机&排放专题2023年
