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在能源和环境问题日益突出的今天，内燃机的节能减排问题受到了广泛的关注，其中缸内直喷(GDI)发动机的颗粒物排放问题，已成为世界内燃机领域的一个研究热点。
本研究工作基于国家自然科学基金“直喷汽油机中燃油撞壁及其与机油油膜相互作用机理的基础研究”课题和国家科技支撑计划“高效清洁增压直喷汽油机开发及产业化应用”课题的支持，重点针对GDI发动机的颗粒物问题，开展汽油/乙醇复合喷射发动机的相关研究，利用含氧燃料乙醇、超高压喷射技术及复合喷射技术，以探索进一步降低GDI发动机颗粒物排放的潜力。首先，利用纹影光学试验台架、相位多普勒粒子分析系统等平台，进行了最高至60MPa喷射压力下的GDI喷油器汽油与乙醇超高压自由喷雾及撞壁喷雾的宏观、微观特性研究。然后，利用复合喷射发动机试验台架，在选定的小负荷和中高负荷典型工况点，系统地开展了G-E(进气道喷射汽油，缸内喷射乙醇)，E-G(进气道喷射乙醇，缸内喷射汽油)和G-G(进气道和缸内都喷射汽油)三种喷射模式下的排放特性研究，并进行了利用喷油控制参数抑制其颗粒物排放的探索。本研究取得的结论主要包括以下几方面：
基于该复合喷射发动机GDI喷油器的超高压喷雾宏观特性研究表明：对于自由喷雾，超高压喷射条件下(本文定义30MPa及以上的喷射压力为超高压喷射)，喷雾的分枝状结构出现时刻提前且数量增多。因为汽油喷雾的分枝状结构较乙醇喷雾更密集，其喷雾主体更易发生破碎。随着喷射压力的提高，喷雾锥角、贯穿距、面积和不规则度都随之增大，但超高压条件下，喷射压力的增长对喷雾贯穿距和面积的影响都明显减弱，且喷雾液核区的面积占比明显降低。超高压喷射不会明显增大喷雾贯穿距而增加喷雾撞壁的概率。汽油喷雾的喷雾锥角、贯穿距、面积和不规则度均比乙醇喷雾略大。对于撞壁喷雾，超高压喷射下的喷雾撞壁时刻大幅提前，反弹高度、扩散距离和喷雾面积均有所增加。汽油喷雾的反弹高度大于乙醇，但扩散距离、喷雾面积均与乙醇接近。超高压喷射使得油气混合均匀程度加强，有助于减少燃油过浓区域，从而可抑制颗粒物的生成。
基于该复合喷射发动机GDI喷油器的超高压喷雾微观特性研究表明：对于自由喷雾，50MPa超高压喷雾比10MPa常规压力喷雾的液滴法向速度和切向速度都明显增大。液滴粒径概率分布更集中于较小的粒径区间，处于粒子剥离区、粒子快速破碎区的液滴比例都大幅增加，从而使喷雾雾化更为充分，有助于在燃烧中抑制颗粒物的生成。与乙醇喷雾相比，汽油喷雾液滴的速度更高、粒径更小、雾化效果更佳。利用Bai-Gosman液滴撞壁理论模型，对即将撞壁的液滴预测可知，超高压喷射条件下，喷雾粒子的粘附、铺展比例减小，飞溅比例有所增大，并且汽油喷雾液滴的飞溅比例高于乙醇喷雾。对于撞壁喷雾，超高压喷射显著增强了喷雾撞壁后的破碎程度，出现了部分具有较高反弹速度的液滴，但整体液滴运动方向的不规则性大幅增强，使反弹液滴的平均法向速度和切向速度均略有减小。同时，超高压喷射使得撞壁喷雾液滴的索特平均直径(SMD)大幅减小，有助于形成更均匀的混合气。汽油撞壁喷雾的SMD小于乙醇，但超高压喷射下，两者的差距明显缩小。数值模拟的结果展示出，超高压喷射下，撞壁喷雾的壁面分布变得较为分散且边缘褶皱增多，有助于促进湿壁喷雾的汽化，从而在燃烧中抑制颗粒物的生成。
基于该汽油/乙醇复合喷射发动机的排放特性研究表明：随着乙醇喷射质量分数(ωE)的增大，燃烧相位更加优化，燃油经济性明显提高。当ωE数值较大时，G-E模式表现出了最为优异的燃油经济性。喷射模式及比例对CO、NOX、HC和颗粒物排放都有较为明显的影响。随着ωE的增大，CO排放呈现出了明显的下降趋势，且0.2MPa工况下的降幅较1MPa工况更为明显；G-E模式的NOX排放比E-G模式降幅更大，两种模式下的HC排放均明显降低。纯汽油喷射的G-G模式颗粒物排放相对最高，而E-G模式借助进气道喷射(PFI)喷射和含氧燃料相结合的优势，使得颗粒物的排放相对最低。随ωE的增大，乙醇燃料的使用有助于抑制颗粒物的生成，也使其氧化活性加强，从而使颗粒物排放明显下降。利用喷射控制参数可降低汽油/乙醇复合喷射发动机的颗粒物排放水平。适当的缸内喷油时刻或提高缸内喷射压力有助于抑制颗粒物排放，且E-G模式下的效果更为明显。G-E模式下，在进气门关闭时进行气道喷射，对颗粒物排放的抑制效果十分明显。在一定喷射时刻范围内进行缸内二次喷油，可抑制颗粒物排放，且第二次喷油比例较大时，效果更为明显。
本研究工作基于国家自然科学基金“直喷汽油机中燃油撞壁及其与机油油膜相互作用机理的基础研究”课题和国家科技支撑计划“高效清洁增压直喷汽油机开发及产业化应用”课题的支持，重点针对GDI发动机的颗粒物问题，开展汽油/乙醇复合喷射发动机的相关研究，利用含氧燃料乙醇、超高压喷射技术及复合喷射技术，以探索进一步降低GDI发动机颗粒物排放的潜力。首先，利用纹影光学试验台架、相位多普勒粒子分析系统等平台，进行了最高至60MPa喷射压力下的GDI喷油器汽油与乙醇超高压自由喷雾及撞壁喷雾的宏观、微观特性研究。然后，利用复合喷射发动机试验台架，在选定的小负荷和中高负荷典型工况点，系统地开展了G-E(进气道喷射汽油，缸内喷射乙醇)，E-G(进气道喷射乙醇，缸内喷射汽油)和G-G(进气道和缸内都喷射汽油)三种喷射模式下的排放特性研究，并进行了利用喷油控制参数抑制其颗粒物排放的探索。本研究取得的结论主要包括以下几方面：
基于该复合喷射发动机GDI喷油器的超高压喷雾宏观特性研究表明：对于自由喷雾，超高压喷射条件下(本文定义30MPa及以上的喷射压力为超高压喷射)，喷雾的分枝状结构出现时刻提前且数量增多。因为汽油喷雾的分枝状结构较乙醇喷雾更密集，其喷雾主体更易发生破碎。随着喷射压力的提高，喷雾锥角、贯穿距、面积和不规则度都随之增大，但超高压条件下，喷射压力的增长对喷雾贯穿距和面积的影响都明显减弱，且喷雾液核区的面积占比明显降低。超高压喷射不会明显增大喷雾贯穿距而增加喷雾撞壁的概率。汽油喷雾的喷雾锥角、贯穿距、面积和不规则度均比乙醇喷雾略大。对于撞壁喷雾，超高压喷射下的喷雾撞壁时刻大幅提前，反弹高度、扩散距离和喷雾面积均有所增加。汽油喷雾的反弹高度大于乙醇，但扩散距离、喷雾面积均与乙醇接近。超高压喷射使得油气混合均匀程度加强，有助于减少燃油过浓区域，从而可抑制颗粒物的生成。
基于该复合喷射发动机GDI喷油器的超高压喷雾微观特性研究表明：对于自由喷雾，50MPa超高压喷雾比10MPa常规压力喷雾的液滴法向速度和切向速度都明显增大。液滴粒径概率分布更集中于较小的粒径区间，处于粒子剥离区、粒子快速破碎区的液滴比例都大幅增加，从而使喷雾雾化更为充分，有助于在燃烧中抑制颗粒物的生成。与乙醇喷雾相比，汽油喷雾液滴的速度更高、粒径更小、雾化效果更佳。利用Bai-Gosman液滴撞壁理论模型，对即将撞壁的液滴预测可知，超高压喷射条件下，喷雾粒子的粘附、铺展比例减小，飞溅比例有所增大，并且汽油喷雾液滴的飞溅比例高于乙醇喷雾。对于撞壁喷雾，超高压喷射显著增强了喷雾撞壁后的破碎程度，出现了部分具有较高反弹速度的液滴，但整体液滴运动方向的不规则性大幅增强，使反弹液滴的平均法向速度和切向速度均略有减小。同时，超高压喷射使得撞壁喷雾液滴的索特平均直径(SMD)大幅减小，有助于形成更均匀的混合气。汽油撞壁喷雾的SMD小于乙醇，但超高压喷射下，两者的差距明显缩小。数值模拟的结果展示出，超高压喷射下，撞壁喷雾的壁面分布变得较为分散且边缘褶皱增多，有助于促进湿壁喷雾的汽化，从而在燃烧中抑制颗粒物的生成。
基于该汽油/乙醇复合喷射发动机的排放特性研究表明：随着乙醇喷射质量分数(ωE)的增大，燃烧相位更加优化，燃油经济性明显提高。当ωE数值较大时，G-E模式表现出了最为优异的燃油经济性。喷射模式及比例对CO、NOX、HC和颗粒物排放都有较为明显的影响。随着ωE的增大，CO排放呈现出了明显的下降趋势，且0.2MPa工况下的降幅较1MPa工况更为明显；G-E模式的NOX排放比E-G模式降幅更大，两种模式下的HC排放均明显降低。纯汽油喷射的G-G模式颗粒物排放相对最高，而E-G模式借助进气道喷射(PFI)喷射和含氧燃料相结合的优势，使得颗粒物的排放相对最低。随ωE的增大，乙醇燃料的使用有助于抑制颗粒物的生成，也使其氧化活性加强，从而使颗粒物排放明显下降。利用喷射控制参数可降低汽油/乙醇复合喷射发动机的颗粒物排放水平。适当的缸内喷油时刻或提高缸内喷射压力有助于抑制颗粒物排放，且E-G模式下的效果更为明显。G-E模式下，在进气门关闭时进行气道喷射，对颗粒物排放的抑制效果十分明显。在一定喷射时刻范围内进行缸内二次喷油，可抑制颗粒物排放，且第二次喷油比例较大时，效果更为明显。