随着能源与环境的危机日益严峻、排放法规加严,实现内燃机的高效清洁燃烧成为重中之重。柴油机后处理装置成本昂贵,可靠性及工况适应性等方面仍存在较多不足,因此通过燃烧优化与燃油改进技术降低原始排放依然是未来的研究方向。内部EGR策略通过改变配气相位即可捕获所需数量的燃烧废气,相比外部EGR系统成本低、耐久性好,在降低柴油机NOx排放方面具有巨大潜力,其中负气门重叠角(NVO)策略与排气门二次开启(SEVO)策略是内部EGR最主要的实现方式。而含氧燃料的自携氧特性可以补充燃烧区域中的氧元素,在不同运转条件下大幅降低碳烟排放。因此本文将两种内部EGR策略与含氧燃料相结合,并通过协调进气条件,探索实现排放性与经济性折衷优化的最佳方案。进气门晚关(LIVC)策略能够有效控制着火时刻、实现可变压缩比,在高效清洁燃烧技术路线中体现出很大的优越性,本文通过结合进气压力与进气组分的优化,对进气门晚关策略改善发动机燃烧与排放特性的潜力进行了分析。NOx与Soot之间的“trade-off”关系一直是柴油机排放控制的关键难题,本文采用了氧浓度分层技术,通过在缸内创造合理的废气分布与氧分布,达到了同时抑制NOx与Soot生成的效果。而内部EGR同样可以调节环境氧分布,进气门关闭时刻也会影响压缩过程中缸内氧浓度分布,因此本文将氧浓度分层技术分别与内部EGR策略以及进气门晚关策略相结合,探究可变配气相位对缸内氧浓度分布特征的影响,以及对氧浓度分层燃烧效果的促进与制约作用。本文通过GT-Power与CONVERGE软件建立了试验用柴油机的一维与三维仿真模型,GT-Power用以计算CONVERGE在不同气门策略下缸内/排气道内的初始温度、压力及气体组分。本文主要研究内容及结论如下:1.内部EGR策略下废气不仅作为抑制反应速率的稀释剂,也作为促进燃烧的加热剂,滞燃期的变化取决于两者综合作用的结果。中等负荷及转速工况下,大比例内部EGR可以显著降低NOx排放,但导致Soot排放明显恶化,指示热效率下降。为改善Soot排放并提高热效率,本文采取了提高进气压力与燃用含氧燃料两种提高内部EGR容忍度的措施,最终在排放性与经济性之间取得了折衷优化。2.进气门晚关策略下随进气门关闭时刻推迟,有效压缩比降低,滞燃期延长,Soot排放显著降低,但指示热效率由于燃料与空气过度混合以及传热损失增加而下降。增加进气压力有助于提高指示热效率,与均质EGR结合后,又进一步抑制了NOx生成。3.通过在螺旋气道靠近气缸中心的入口通入废气,喷油时刻下缸内形成了“中间稀周侧浓”的氧浓度分层状态,与污染物生成位置良好对应。分层EGR结合负气门重叠角策略后,当负气门重叠角较小时,喷油时刻下缸内氧浓度分布依然呈现出“中间稀周侧浓”的理想分层状态,当负气门重叠角较大时,由于进气门开启时活塞位置较低,导致进入活塞凹坑区域的空气量减少,最终使富氧区形成在燃烧室上方。不采用外部EGR的情况下,排气门二次开启策略的废气回流运动在缸内恰好造成了“中间稀周侧浓”的氧浓度分层状态,与分层EGR结合后,氧浓度稀区更加集中于燃烧室中心区域。分层EGR结合进气门晚关策略后,不同进气迟闭角下氧浓度分层形态大致相同,整体上与理想的分层形态较为接近,但氧浓度分布的轴对称性不足。4.原机配气相位下,在氧浓度分层分布的作用下,NOx排放相对均质分布降低了1.5%,Soot排放降低了3.1%。氧浓度分层技术与不同配气策略结合后,影响氧浓度分层对污染物改善程度的主要因素包括:氧浓度分层燃烧相对于均质燃烧滞燃期与燃烧温度的变化情况,以及缸内活化分层状态的改变情况。在不同的配气策略下,氧浓度分层燃烧滞燃期均长于均质燃烧,这有助于提高油气混合质量,增加预混合燃烧比例,改善Soot排放,仅在进气门关闭时刻为270°CA ATDC时,较高的氧浓度分层度使得燃烧室中心区域的氧含量过于稀薄,而导致氧浓度分层燃烧的Soot排放更高。不同配气策略下,氧浓度分层燃烧与均质燃烧之间最高燃烧温度以及高温持续时间的差异是影响NOx改善效果的决定性因素,而这种差异主要由两者预混合燃烧量及燃烧持续期的不同引起。