能源与环境危机所带来的严峻挑战正时刻影响着人类的生存与发展。2015年以来交通运输业成为世界第一大二氧化碳排放行业，以发动机为动力源的轻型乘用车在这之中扮演着关键角色，在短期内发动机仍将是重要的车用动力源。稀薄燃烧技术能够从多维度对发动机动力性、经济性与排放性能进行优化，在发动机研究过程中展现出巨大潜力。受点火能量与燃烧稳定性限制，传统火花点火发动机稀薄燃烧极限较低，限制了发动机热效率进一步提升。预燃室射流点火技术集结了高能点火、复合燃料与混合气分层三项技术的优点，显著拓展了发动机稀薄燃烧性能，有望打破当前发动机热效率瓶颈，实现高效清洁燃烧。然而，现有的预燃室研究大多关注于单一结构参数对性能的影响，各项结构对发动机性能的影响权重尚未可知，且部分研究结论存在明显冲突。此外，预燃室射流喷出至主燃室引燃这一过程中，预燃室射流所导致的火焰发展过程研究尚不全面。不仅如此，当前预燃室射流点火系统对发动机稀薄燃烧性能的提升幅度依然有限，仍需对其进一步开展多方位研究以拓展其性能。鉴于此，本文自行开发了多视角可视化定容燃烧弹试验平台、模拟仿真平台及发动机试验测试平台，以预燃室射流燃烧特性为主要研究对象，以拓展预燃室射流点火系统稀薄燃烧性能为目标，针对预燃室射流点火系统结构参数、边界条件参数、射流碰撞壁面结构参数及预燃室燃油喷射策略等方面开展了系统研究。本文的主要研究内容与结论如下： (1)为探明预燃室结构参数对射流火焰发展与稀薄燃烧性能的影响作用，本文归纳总结了当前数据库中已有的预燃室几何结构，深入分析各结构间的共性点与这些共性点存在的原因，从中提取关键结构参数数据，通过Taguchi试验方法重新设计出了包含多数现有预燃室结构特征的多种预燃室结构。并以此为基础，在自主设计、搭建的多视角可视化定容燃烧系统试验平台上开展了预燃室结构参数试验研究。基于信噪比分析，探究了各结构参数的取值大小对预燃室射流点火系统燃烧性能的影响规律；通过方差分析方法对结构参数开展了敏感性分析。研究结果表明，较大的喷孔总截面积有利于拓展预燃室射流点火系统稀薄燃烧极限，而较小的喷孔总截面积有利于提升火焰传播速度。6喷孔预燃室结构能够实现预燃室射流大范围着火的同时单一预燃室喷孔射流强度仍处于较高水平。60°-120°预燃室过渡锥角有利于提升预燃室射流速度，最佳预燃室喉部直径约为7mm。预燃室结构中最为关键的参数是喷孔总截面积，无论是燃烧性能还是稀薄燃烧极限性能其影响权重均超过80%。通过归纳不同结构条件下预燃室射流燃烧特性，总结出了四种预燃室射流引燃模式，分别是：射流火焰引燃、射流延迟引燃、射流直接引燃以及射流尾流引燃。相较于火花点火而言，这四种引燃模式的峰值放热率分别最高提升了15.78%、123.51%、10.89%和136.96%。基于结构参数变化实现的四种引燃模式中，仅预燃室射流火焰引燃具有优异的稀薄燃烧极限性能，在试验条件下，最高可引燃λ=2.77的重度稀薄混合气。 (2)边界条件参数是影响预燃室射流点火系统稀薄燃烧性能的关键因素，本文基于可视化定容燃烧系统研究了边界条件参数对预燃室射流点火系稀薄统燃烧性能的影响。研究表明，在初始试验条件下，随着预燃室当量比逐渐升高(Φpre=0.8-2.5)，主燃室混合气燃烧速度先缓慢提升，在Φpre=1.8时达到最高值，随后逐渐下降。整体上看，稀薄燃烧极限随预燃室当量比的增大而提高，这归功于较高的预燃室当量比能够显著提升预燃室冷射流中的混合气浓度，降低射流引燃难度。这其中存在一特殊情况，当Φpre=1.5时，射流速度较高但此时冷射流浓度提升幅度尚且不足，稀薄燃烧极限性能急剧下降。在试验测试范围内，较高的初始温度与较低的初始压力有利于提升火焰传播速度，而较低的初始温度和较高的初始压力显著提高了预燃室射流点火系统的稀薄燃烧极限。稀薄燃烧极限性能提升归功于混合气初始密度的升高，预燃室射流流动阻力增加的同时增大了射流与主燃室内混合气的反应时间与碰撞频率，射流引燃难度有所降低，稀薄燃烧极限性能显著提升。通过调控边界条件参数，实现了单一预燃室结构条件下多种预燃室射流引燃模式切换。其中，双射流引燃能够兼顾高火焰传播速度与高稀薄燃烧极限。 (3)针对燃烧室狭小空间内预燃室射流必然存在壁面碰撞问题，以及边界条件参数研究过程中发现的、因预燃室射流撞壁而产生的预燃室二次射流非正常燃烧现象问题，本文主动设计了多种射流碰撞壁面结构，结合试验研究与仿真计算探究了壁面结构参数对预燃室射流点火系统燃烧性能的影响。研究发现，预燃室射流撞击至壁面后对燃烧过程具有加速作用，这一性能提升随着壁面与喷孔距离的缩短呈现先逐渐提高后快速恶化的趋势。当壁面与喷孔距离过近时，几乎无速度衰减的预燃室高速射流使得射流撞击处难以形成火核，着火延迟显著上升的同时稀薄燃烧性能下降。预燃室射流撞击至凹面壁面结构时具有较低的着火延迟、更高的火焰传播速度与稀薄燃烧极限。这归功于凹面壁面结构增加了射流在撞击处的流动阻力，产生了更高的动能损失、更弱的射流附壁流动、更强的压力驻留效应以及更高的驻点温度。此外，预燃室射流撞击处为凹坑结构还将使主燃烧室内产生更大范围的强涡流，进一步加速燃烧。相反地，预燃室射流撞击壁面结构为凸起结构时，着火延迟延长，稀薄燃烧极限下降，火焰传播速度降低，引燃过程转换为依附于射流撞击壁面的延迟引燃，增大了二次射流非正常燃烧发生概率。 (4)针对上述结构参数、边界条件参数与壁面结构参数燃烧可视化研究结果，分别提出了预燃室结构设计方法、基于调节预燃室燃油喷射策略与发动机压缩比的稀薄燃烧性能优化策略以及基于调整预燃室喷孔朝向和使用绝热活塞技术的稀薄燃烧性能优化策略。研究发现，采用高燃油喷射压力、少量预燃室混合气加浓以及喷射正时位于压缩冲程中期的预燃室混合气分层燃油喷射策略，能够兼顾稀薄燃烧稳定性与燃油经济性。预燃室喷孔朝向所导致的预燃室射流撞击位置不同对发动机重度稀薄燃烧稳定性影响显著，预燃室喷孔应朝向发动机活塞顶面而非气缸与缸盖壁面。高压缩比条件下，预燃室放热过程呈双峰放热：放热率曲线的第一个峰由预燃室射流引燃所产生，第二个峰值由燃烧室末端混合气自燃所产生。绝热活塞技术在CR=13.6-15.4压缩比条件下能够小幅度提升预燃室射流点火系统重度稀薄燃烧稳定性，当压缩比进一步提升至16.4时，稀薄燃烧稳定性急剧下降。通过协同优化上述研究结果，成功实现了将火花点火汽油原发动机稀薄燃烧极限由λ=1.5拓展至λ=3.1以上；总指示热效率从原机的41.34%(λ=1.0、压缩比13.6)提升至51%(λ=2.236、压缩比16.4)以上。
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