代表性研究成果1

名称

类别

成果为第一完成单位

本室固定

人员参加

名单

所属研究方向

柴油机高密度低温燃烧理论和技术及应用

应用基础研究

天津大学

苏万华、王天友、裴毅强、邬斌扬、谢辉、孙凯、鲁祯

内燃机燃烧过程及其优化控制的研究

    柴油机是卡车、客车、工程机械等各类移动式动力装置的主要原动机，是国民经济建设和国防安全中最关键的动力装备。本成果面向国际新一代内燃机燃烧理论前沿，以国家需求为目标，致力于同时提高热效率和连续满足国IV、国V和国VI排放法规。此外，由于我国柴油机存在短期内难以克服的气缸爆压低等结构强度的技术屏障和国外对超高压力燃油系统的产品封锁，在国家‘973’、国家自然科学基金重点项目和实验室自主课题等项目支持下，通过产学研紧密合作走出一条适合国情的新路，首次提出高密度低温燃烧理论，并开发了一系列相关技术。成果的主要内容包括：

（1）开展了高密度对柴油机燃烧过程影响机理研究，揭示了高密度对混合气均质化、燃烧速率的作用机理。发现提高充量密度促使喷雾快速混合，是混合气当量比满足小于2以及推进CO向CO₂转化的决定因素。提高充量密度使充量/燃油量比值提高，着火时刻当量比Φ<2的燃油质量由30%提高到78%。高充量密度提高充量总热容，抑制火焰温度，使氮氧化物（NOx）减少30%。

（2）开展了柴油机可变热力循环技术研究。发明可变压缩比机构，实现可变米勒循环；并将可变压缩比与可变增压系统相耦合，使柴油机燃烧边界条件可以最大限度地满足瞬变工况的燃烧需要，为根本改善柴油机瞬态特性提供支撑。

（3）开展了多元控制变量柴油机瞬态过程控制技术。新型多元控制柴油机具有高智能潜力，但同时又是一个大维数非线性系统，实时瞬态优化控制是国际难题。本成果首次提出“六项判据”与控制变量物理方程相耦合的解决方案，使柴油机具有优越的瞬态动力响应和排放特性，显著减少标定时间。

（4）开展了气道与缸内湍流控制技术研究，揭示了涡流“形成-发展-衰减-加强”，以及滚流“受限-形成-压缩-破碎”的基本规律，提出了面向燃烧系统开发的气流评价指标，建立了进气终了滚流比、以及进气终了/压缩终了涡流比的预测模型；提出了气道全参数化设计方法，揭示了气道关键结构参数对气体流动特性的影响。

本成果主要科技创新包括：

（1）发现缸内充量密度是提高充量活性的重要影响因素，由此提出通过充量密度控制柴油机高负荷下燃烧路径的学术思想，提出高密度低温燃烧技术，为我国柴油机从国三直接升级到国VI提出了经济可行的技术路线。

（2）提出燃烧路径控制的技术思想，通过高密度、高混合率和由CO冷藏降低化学反应率的协同作用改变高负荷条件下燃烧路径。发现柴油机高负荷燃烧条件下，如果使高当量比的“碳”能够以CO的形式“冷藏”，可避免碳烟形成。

（3）提出以柴油机性能优化为依据的六个约束性判据（原则），解决发动机微粒、氮氧化物、未燃碳氢等排放物和全工况热效率为多优化目标的超大维数非线性系统的优化问题，使柴油机具有优越的瞬态动力响应和排放特性，显著减少标定时间。

（4）系统构建了内燃机气流“测试-评价-设计”的技术体系。提出了内燃机变压差气流测试方法，相比欧美传统定压差测试方法效率提高5倍以上，消除了气缸盖生产线在线检测的效率瓶颈，为柴油机的生产一致性提供了有力技术保障。

研究水平与成效：

    本成果近五年共发表SCI论文80余篇，授权美国和俄罗斯发明专利各1项，发明专利20余项。成果获得国际同行广泛评价，Int J Engine Res主编，SAE和ASME会士Reitz教授在其发表论文指出，“苏和于发现，混合和化学控制因素的相互作用是决定燃烧过程的因素，这些因素还包括燃油喷射定时和喷射过程的细节，例如多脉冲喷射，增压比等，这些发现对于协调混合和化学因素提供了新途径”。美国明尼苏达大学William F.Northrop教授指出基于尾气再循环的低温燃烧技术，扩展负荷范围极其困难，但Lu, Yu and Su 采用多脉冲燃油喷射，高尾气再循环和提高增压压力成功扩大了低温燃烧的负荷范围。

    应用本成果开发的柴油机满足国VI法规，热效率比欧美产品重型柴油机高出7%。主要技术已在“潍柴动力”和“广西玉柴机器”100余个机型的国IV、国V柴油机上应用，装备我国核心卡车、客车以及工程机械产品，占市场份额达68%-80%以上，产品打入美国、英国和德国等30多个国家，展示出很强的国际市场竞争力。

    在2017年启动的中美卡车能效合作项目中，中美双方共同确定采纳本成果的技术路线。另外在“十三五”卡车混合动力、工程机械、农机四个柴油机相关重大专项中，也作为基本技术路线发挥作用，推动行业技术进步的作用显著。中国内燃机工业协会评价称：“从根本上改变了国内企业长期依赖国外技术进行气流评价、设计、测试的局面，极大地促进了内燃机行业的技术进步与产业升级”。相关成果2017年获国家技术发明二等奖和中国机械工业科学技术一等奖。