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《清华大学》 2016年
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高功率密度汽油机超级爆震的机理与抑制策略研究

刘辉  
【摘要】:增压直喷小型化是高效汽油机的主要技术路线,但会伴有偶发性的超级爆震。超级爆震能在几个循环内损坏发动机,具有极大破坏性,其机理与抑制策略亟待研究。已有结果表明,超级爆震的核心问题为早燃和爆轰燃烧,早燃为诱因,爆轰燃烧为破坏性根源。目前针对早燃的机理与抑制措施已有大量研究,但对早燃诱发爆轰燃烧的机理和发动机中抑制爆轰燃烧进而彻底抑制超级爆震的控制策略尚未有充分认知。本文围绕超级爆震中爆轰燃烧的机理和抑制策略开展了研究,并以常规爆震作为参照,对汽油机爆震燃烧(包括常规爆震和超级爆震)进行了系统性分析。首先,基于增压汽油机和快速压缩机试验,研究了早燃时刻和初始热力学状态对爆震模式的影响,分析了无爆震燃烧、常规爆震和超级爆震的量化区分准则,并详细解析了超级爆震的燃烧过程和起爆模式。试验结果表明,高进气压力下,早燃是超级爆震的必要非充分条件,早燃本身可以诱发无爆震燃烧、常规爆震和超级爆震等多种燃烧模式。滞燃期和能量密度可作为量化区分准则,分别将无爆震燃烧和超级爆震从其它燃烧模式中区分开来。超级爆震的燃烧过程可概括为:早燃压缩加热末端可燃混合气至自燃,自燃伴随的快速放热引发激波,激波通过与壁面、反应面或其他激波间的交互作用触发爆轰波。超级爆震的起爆模式有激波反射触发爆轰、近壁面自燃触发爆轰、激波空间交汇触发爆轰和激波前锋面触发爆轰。然后,根据发动机和快速压缩机的试验条件,采用一维可压缩多组分反应流动的数值模拟方法,分析了爆震燃烧的机理,提出了爆轰燃烧和超级爆震的理论抑制策略。结果表明,超级爆震的燃烧模式为“爆轰燃烧”,常规爆震的燃烧模式为“超音速自燃性爆燃”或“亚音速自燃性爆燃”,无爆震燃烧的模式为“火焰传播”。分层当量比、等能量密度稀释燃烧或稀薄燃烧、长滞燃期燃料、空气层等控制策略可抑制爆轰燃烧从而彻底抑制超级爆震。最后,基于发动机和快速压缩机试验,研究了抑制常规爆震的策略,验证了超级爆震理论抑制策略的可行性。“火花辅助分层充气压缩着火”燃烧方式和“双燃料双喷射系统”可有效地抑制常规爆震,并可改善发动机的动力性和经济性。等能量密度稀释燃烧或稀薄燃烧可将超级爆震降为常规爆震,甲烷、丙烷或甲醇混合气可在同等条件下将异辛烷混合气的超级爆震降为无爆震燃烧或极其微弱的常规爆震。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TK411.22

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