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高压空气射流对柴油预混合气着火的调控机制与优化策略研究

一、绪论

1.1研究背景与意义

随着全球汽车保有量的持续攀升，能源短缺与环境污染问题日益严峻，已成为制约汽车行业可持续发展的关键因素。柴油机作为汽车的主要动力源之一，以其较高的热效率和良好的燃油经济性，在商用车及部分乘用车领域得到广泛应用。然而，柴油机在燃烧过程中，由于燃油与空气混合不均匀，易产生大量的氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）排放，对环境和人类健康构成严重威胁。

在排放法规日益严格的背景下，如何有效降低柴油机的排放，同时提高其燃油经济性，成为了内燃机领域的研究热点。预混合气燃烧作为一种新型的燃烧方式，通过在燃烧前使燃油与空气充分混合，形成较为均匀的混合气，可实现低温、低氧的燃烧环境，从而有效降低NOx和PM的排放，同时提高燃油经济性。然而，预混合气燃烧的着火控制是一个极具挑战性的问题。传统的柴油机着火方式主要依赖于压缩自燃，着火时刻难以精确控制，容易导致燃烧不稳定、爆震等问题，限制了预混合气燃烧技术的实际应用。

高压空气射流控制作为一种新兴的着火控制方法，为解决柴油机预混合气着火难题提供了新的思路。通过向燃烧室内喷射高压空气射流，可以在局部区域形成高温、高压的环境，促进预混合气的着火和燃烧。与传统的着火控制方法相比，高压空气射流控制具有以下潜在优势：一是可实现着火时刻的精确控制，通过调节高压空气射流的喷射时刻、压力和流量等参数，可以灵活控制预混合气的着火时刻，提高燃烧的稳定性和可控性；二是增强混合气的混合效果，高压空气射流具有较高的动能，能够有效促进燃油与空气的混合，提高混合气的均匀性，从而改善燃烧过程，降低排放；三是适应不同工况的需求，高压空气射流控制方法具有较强的灵活性，能够根据发动机的不同工况，如负荷、转速等，实时调整射流参数，实现最佳的着火和燃烧效果，提高发动机的综合性能。

对高压空气射流控制柴油预混合气着火进行研究，不仅有助于深入理解预混合气燃烧的着火机理，为燃烧理论的发展提供理论支持，而且对于推动柴油机技术的创新和升级，实现节能减排目标，具有重要的现实意义。本研究旨在通过实验和数值模拟相结合的方法，系统研究高压空气射流控制柴油预混合气着火的特性和规律，为高压空气射流控制技术在柴油机上的实际应用提供理论依据和技术支持。

1.2国内外研究现状

在国外，高压空气射流控制柴油预混合气着火相关研究已取得一定成果。一些学者聚焦于射流特性对混合气着火及燃烧过程的影响，如通过实验和数值模拟手段，探究高压空气射流的压力、温度、速度以及射流角度等参数变化时，混合气着火延迟期、火焰传播速度和燃烧稳定性的改变情况。研究发现，较高的射流压力可显著缩短着火延迟期，加快火焰传播速度，增强燃烧稳定性，但过高的射流压力也可能引发燃烧室内气流过度紊流，导致燃烧效率降低。

在燃烧排放特性研究方面，国外研究表明，高压空气射流控制可有效降低氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）排放。这是因为高压空气射流促进了混合气的均匀混合，使燃烧更充分，减少了局部高温富燃区域，从而降低了NOx和PM的生成。不过，部分研究也指出，该技术可能会导致一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）排放略有增加，这与射流导致的混合气局部过稀或燃烧不充分有关。

在国内，大连理工大学的隆武强等人提出了高压空气射流控制压缩着火（JCCI）方法，通过调节压缩比使预混合气处于临界自燃状态，再利用高压空气射流压燃预混合气，实现着火相位的直接控制。他们建立了定容弹三维CFD模型和复合发动机内燃动力缸三维CFD模型，研究发现提高射流压力和温度、增大单向阀出口直径能增加定容弹内局部工质受压缩后的最大温升，且高压空气JCCI方式可获得极低的NOx和soot排放，但THC和CO排放略高。

重庆大学的科研团队通过实验研究了不同射流参数下柴油预混合气的着火特性，发现射流压力和温度对着火时刻和燃烧速率有显著影响。合适的射流参数能使着火时刻提前，燃烧速率加快，提高发动机的热效率。北京理工大学则从优化燃烧系统的角度出发，研究了高压空气射流与燃烧室结构的匹配关系，发现合理设计燃烧室结构可增强高压空气射流对混合气的扰动效果，进一步改善燃烧过程，降低排放。

综合国内外研究现状，当前高压空气射流控制柴油预混合气着火的研究在着火特性、燃烧过程以及排放特性等方面取得了一定进展。然而，仍存在一些不足之处。例如，对高压空气射流与柴油预混合气相互作用的微观机理研究还不够深入，缺乏对射流诱导的湍流混合、化学反应动力学等方面的系统分析；在多工况适应性研究方面，现有的研究大多集中在特定工况下，对于发动机在不同负荷、转速等复杂工况下，高压空气射流控制技术的性能表现及优化策略研究较少；此外，高压空气射流控制技术的工程应用研究还相对薄