废气空气组合稀释提升低温燃烧汽油机热效率的研究

以均质充量压燃着火（HCCI/CAI）燃烧为代表的汽油低温高效燃烧技术可以同时改善燃油经济性和氮氧化物（NOx）排放，受到了广泛的关注。但是，常规实现策略难以兼顾高稀释低温燃烧中燃烧过程的改善与充量获取的优化，限制了燃油经济性的进一步提升。本文通过研究热空气和内外部废气对充量的加热作用、稀释作用和容积填充作用及其相互耦合机制和对燃烧放热过程的影响规律，探索进一步提升高稀释低温燃烧汽油机热效率的实现方法。 本文在一台配备进气热管理系统和全可变气门机构的汽油单缸原理性样机上，通过实验与仿真相结合，研究空气-废气组合稀释优化HCCI/CAI燃烧的方法，探寻正气门重叠角重吸废气方式的混合燃烧实现与优化准则。建立起高稀释低温燃烧放热率预测模型，并基于稀释工质与换气模式的优化设计出全负荷低温燃烧汽油机热效率提升方案。 针对传统负气门重叠角策略下CAI燃烧燃油经济性改善受限的问题，揭示了进气加热取代内部废气过程中提升燃前压力和降低泵气损失以改善热效率的本质，提出了余热回收加热进气与内部废气留存组合优化HCCI/CAI燃烧的方法。通过协调空气和内部废气的热量供给和稀释填充，在满足缸内稀释度与热状态需求的基础上，优化缸内废气-空气工质并降低换气模式损失，实现燃油经济性改善8-12%并拓展小负荷边界至0.8bar。 在主要依靠废气稀释燃烧的中高负荷工况下，分析了正气门重叠角实现的废气重吸方式对缸内废气留存的影响规律，揭示了正气门重叠角策略在协调缸内稀释度与热状态中的充量获取和燃烧控制机制，提出了以进气门早开为主、排气门晚关为辅的正气门重叠角混合燃烧优化策略，相比于负气门重叠角策略，显著降低了换气模式损失，最高可实现9%的燃油经济性提升。 为实现汽油高稀释低温燃烧的全负荷运行优化，在分析总结边界条件对火花点火和多点自燃的影响特性基础上，建立了可适用于多燃烧放热模式的高稀释低温燃烧放热率模型。依据高稀释低温燃烧的理想运行需求，设计了余热回收加热进气结合正气门重叠角重吸废气策略的全负荷技术路线，在实现高稀释低温燃烧的同时优化了缸内废气-空气工质和换气模式，相比于负气门重叠角策略下的低温高效燃烧和传统SI燃烧，分别可实现6.2%和21%的综合油耗改善。