能源与环境是当代社会备受关注的两个热点主题,由此确立的内燃机工作过程的优化控制目标即是高效与清洁。尽管新能源汽车的销量在不断攀升,但在未来几十年之内,汽油车在轻型车市场上仍将占据主导地位。目前汽油机低碳化最具潜力的技术手段有高增压、小型强化和缸内直喷等。与进气道喷射(PFI)相比,缸内直喷(GDI)汽油机在降低碳排放和提高燃油经济性方面具有一定的优势,但其微粒排放相对较高。为了实现直喷汽油机高效清洁的目标,急需从燃烧源头上对微粒排放进行控制。鉴于此,本文通过一系列发动机和光学诊断试验,在技术应用和理论研究两个层面上展开研究,以期明晰缸内直喷汽油机微粒排放的影响因素、控制手段和产生来源。为了明确工况差异对应的喷油参数优化方向,本文首先基于发动机台架试验,根据发动机的实际常用工况,在多转速多负荷工况下,研究了喷油时刻和喷油压力对直喷汽油机燃烧和微粒排放的影响规律。研究发现,在2000r/min工况下,随着喷油时刻的推迟,缸压和放热率峰值先增大后减小,而在较低和较高转速时,缸压和放热率峰值逐渐增大。随着负荷的增加,大粒径微粒浓度的范围增大,最低微粒数量浓度值先升高后降低;而随着转速的增加,集聚态微粒向粒径变小方向变化,最低数量浓度值连续升高。在所有工况下,随着喷油时刻的推迟,微粒总数量浓度、核态微粒数量浓度和集聚态微粒数量浓度均先降低后升高,且最低浓度所对应的喷油时刻随着转速和负荷的增加而提前。在低负荷工况下,喷油压力对燃烧过程的影响较明显,随着喷油压力的提高,缸压和放热率峰值先升高后降低。在中高转速和负荷工况下,喷油压力对燃烧过程的影响不大。在所有工况下,喷油压力对微粒粒径分布的影响不太明显。在低速以及中速高负荷工况下,随着喷油压力的提高,微粒总浓度持续降低;而在中速低负荷以及高速工况下,更高的喷油压力会使微粒总浓度出现上升趋势。对于微粒质量浓度分布来说,其第一峰值的变化与核态和集聚态微粒数量浓度峰值的变化以及二者之间谁是主导有关。第二峰值由于其所占范围的微粒直径较大,对该范围内的微粒数量相当敏感,导致其变化无趋势。一般地,随着负荷增加,第三峰值逐渐消逝;随着转速的增加,第三峰值逐渐抬起。通过五个典型工况的分析,简述了点火提前角、喷油压力、过量空气系数和EGR对直喷汽油机燃烧和微粒排放的影响。以此为依据,设计田口试验,通过各参数的信噪比分析和变异数分析,确定了在理论当量比和均质稀燃模式下,基于输出目标导向的多参数协同优化策略,并给出了各参数对特定目标,特别是经济性和微粒排放指标的影响权重。研究结果显示,推迟点火提前角、提高喷油压力、增大过量空气系数和引入适当的EGR均会降低核态和集聚态微粒的数量浓度,并且后三者能够同时改善发动机的有效燃油消耗率。其中,推迟点火提前角和EGR会增加微粒中的核态数量的占比,而提高喷油压力和增大过量空气系数会降低核态数量的占比。根据田口试验可知,在理论当量比条件下,最低微粒排放的控制参数组合为17°CA BTDC点火提前角,7.0MPa喷油压力,60°CA ATDC喷油时刻和20%冷EGR,而在均质稀燃条件下,最低微粒排放的控制参数组合为17°CA BTDC点火提前角,7.0MPa喷油压力,90°CA ATDC喷油时刻和20%冷EGR。在两种燃烧模式下,EGR形式对NOX排放和有效燃油消耗率的影响权重比其他参数都大。喷油时刻对微粒排放的影响权重最大,特别是在均质稀燃条件下,达到了96%。在理论当量比燃烧时,EGR和点火角对微粒排放的影响权重分别为13%和10%。为了深化稀释燃烧的机理,为稀释组分的优化控制提供基础和方向,本文对直喷汽油机空气稀释和废气稀释进行深入探讨,选取了空气和废气中主要的三种单组分气体(CO2、N2和Ar),研究稀释对直喷汽油机燃烧和微粒排放的影响。研究发现,CO2稀释对直喷汽油机燃烧过程的影响最大,N2稀释次之,Ar稀释最小。随着添加比的增大,CO2稀释和N2稀释对应的滞燃期和燃烧持续期延长,燃烧重心推迟,循环变动明显恶化,而Ar稀释的燃烧过程变化不大。当添加比逐渐增大到20%时,CO2稀释的有效燃油消耗率持续升高,Ar稀释逐渐降低,而N2稀释先降低后升高。在相同的添加比下,Ar稀释时发动机获得的有效燃油消耗率最低,而CO2稀释最大,N2稀释居中。随着添加比的增大,N2稀释和Ar稀释对应的排气温度和总的HC排放量均有所增大,其中Ar增大的更明显,而CO2稀释呈现相反的变化趋势。三种稀释气体均可以有效抑制NOX排放的产生。在相同的添加比下,CO2稀释时发动机排放的NOX量最小,Ar稀释最大,N2稀释居中。每一种稀释气体对应的总微粒数量浓度、核态微粒数量浓度和集聚态微粒数量浓度对添加比的变化趋势是一致的。当添加比从0增加到10%时,CO2稀释时的微粒数量浓度持续降低、N2稀释和Ar稀释时的微粒数量浓度持续升高;而当添加比从10%增加到20%时,CO2稀释和Ar稀释变化趋势不变,N2稀释时的微粒数量浓度开始降低。在各稀释工况下,微粒质量浓度分布均呈双峰分布,且第一峰值变化与核态和集聚态微粒数量浓度峰值变化趋势一致。随添加比的增加,三种气体稀释工况对应的第二峰值之间的高低关系不变,只是峰值的绝对数值有所升高。对于直喷汽油机来说,使用Ar稀释时可以获得最好的BSFC-NOX关系,即当把NOX排放降低到相同效果时,Ar稀释对应的有效燃油消耗率最低,N2次之,CO2最高。而在抑制微粒排放方面,Ar稀释的作用显得不足,CO2稀释则可以保证在稍微牺牲一点经济性的情况下大幅降低排气中的微粒数量,但在大添加比条件下,会使燃烧恶化增加微粒质量。为了明确直喷汽油机缸内碳烟的主要来源,为“参数输入-尾气排放输出”式的微粒控制提供理论支撑和验证,本文依托直喷点燃式光学发动机,建立基于激光诱导炽光法的缸内碳烟定量测量平台,用于研究缸内特定平面上的碳烟分布及碳烟发展历程,并结合其他多种光学诊断技术(高速摄影、OH*化学荧光、OH-PLIF),实现缸内在燃烧过程中全空间、全时间范围内的碳烟和OH分布演变信息的同步观测。研究结果表明,从空间上来看,缸内碳烟团最先在燃烧室边缘附近产生,随着时间推移,碳烟云团逐渐向燃烧室中心扩散。活塞顶部池火跟随活塞一起下行,而碳烟火焰团在此过程中向上腾起,使得在50-70°CA ATDC过程中,10mm平面上测得平均碳烟体积分数最高。在同一观测平面上,45.5mg/cycle工况下的平均碳烟体积分数最高,且碳烟多集中在靠近进气门和喷油器一侧。从时间上来看,从点火开始到10°CA ATDC左右时,预混合火焰从缸内中心位置火花塞附近迅速向四周传播,OH*荧光信号逐渐增强,但无明显碳烟产生。在15°CA ATDC时,活塞顶部油膜以及缸内边缘部分过浓混合气被引燃,开始出现碳烟光度信号。到30°CA ATDC时,缸内碳烟光度信号达到最大,OH*荧光信号同时达到最大,说明碳烟急剧产生的阶段也是碳烟氧化条件最有利的过程。综合三个平面上的测量结果可以知道,缸内碳烟在30-40°CA ATDC左右时达到最大量。从40-70°CA ATDC过程中,碳烟火焰团开始变大、变散,碳烟在空间上的分布变得较均匀,碳烟平均体积分数变小,碳烟光度信号变弱,OH*荧光信号变弱但仍在继续氧化碳烟。70°CA ATDC之后,OH*荧光信号基本消失,部分碳烟火焰仍在燃烧,此时新生碳烟和剩余碳烟被氧气缓慢氧化,并随缸内气流随机运动,直至被排出缸外。整个燃烧室在0-70°CA ATDC范围内的碳烟光度信号和OH*信号强度变化趋势一致;10mm平面上在40-70°CA ATDC范围内碳烟-PLII信号和OH-PLIF荧光信号强度变化趋势一致。综合多种光学诊断技术的研究结果来看,池火和局部过浓混合气燃烧是试验用DISI光学发动机的最主要碳烟来源。正常喷射时,池火一直持续到50°CA ATDC左右,局部过浓混合气引起的碳烟火焰一直持续到70°CA ATDC之后;而在燃油早喷时,池火和碳烟火焰将一直持续到排气行程。