快速压缩机实验室

简介清华大学汽车安全与节能国家重点实验室

关注

实验室简介

为了实现节能减排的目标，高效内燃机需要面对的主要问题包括燃烧过程的组织和爆震的抑制，以获得稳定、快速、清洁的燃烧。其中的主要科学问题则是化学反应、激波、湍流以及各因素的相互作用。

快速压缩机实验室隶属于清华大学汽车系汽车节能与安全国家重点实验室，拥有世界一流的可视化快速压缩机，由于其对发动机工况良好的复现以及对复杂问题的降维和解耦，既能解决实际发动机问题，也能针对基础燃烧开展研究。同时，快速压缩机灵活性强，能适应宽温度压力范围，可以配套压力传感、可视化、组分采集等多种检测手段，还能外接一维爆震腔、飞行时间质谱等设备，拓宽研究领域。本实验室主要从事的研究既有基础理论，包括：

1）化学反应动力学机理的开发和验证；

2）受限空间内爆燃转爆轰的动力学过程解析；

3）单液滴蒸发与着火模型开发。

也有基于工程需求的实际问题，包括：

1）耦合化学反应机理的三维CFD模拟发动机的燃烧与排放；

2）发动机爆震检测与抑制方法；

3）颗粒物与机油诱发早燃的机理；

4）燃料设计与新型燃烧模式。

自2013年快速压缩机实验平台成功搭建以来，已经承担并完成了包括国家自然科学基金重点项目及面上项目、863、973等多个科研项目的研究，还与美国通用汽车、康明斯、雅富顿等多家企业开展了国际合作，已发表被SCI检索论文20余篇，被EI检索论文10余篇。在爆震领域，更是突破性地首次揭示了发动机超级爆震本质是爆轰燃烧，因此受邀撰写了综述文章，为解决爆震难题提供了明确的方向。

成员

更多>

王志

李雁飞

齐运亮

李富柏

刘长鹏

宋和平

王颖迪

范钦灏

新闻博客

更多>

高效动力和清洁燃烧----第三十一期“清华大学长聘教授讲坛”

原文链接

发动机节能需要强化燃烧，排放法规又要求油品清洁化(添加醇醚）。这大幅提高了温度压力和燃料活性，使得燃烧达到极端条件，成为先进发动机研发的最大挑战。本团队2006年和奇瑞汽车公司合作承担国家863项目中年发现了内燃机中一种新的敲缸现象，超出常规爆震振幅1~2个数量级，取名“超级爆震”。2013年拍摄到了超级爆震发生瞬间的一幅燃烧图像很像蟹状星云，预示燃料分子和天体燃烧的科学相似性。2015年通过光学诊断证明了超级爆震是一种超声速传播的燃烧波（Detonation），揭示了其激波反射诱导近壁起爆的机制，对深入理解高效清洁内燃机爆震燃烧提供了实验和理论基础。这些基础研究也被成功应用到发动机爆震的抑制和利用中，为我国汽车发动机功率密度达到100kW/L先进水平提供了关键技术支撑。2017年应《能源与燃烧科学进展》PECS邀请发表了发动机爆震燃烧综述论文，提出了车、船、空、天发动机中爆震燃烧共性问题和超级爆震的解决方案，对于先进发动机的研发和工业安全生产具有指导意义。

·微观世界和宏观宇宙，蕴藏着无限的科学之美！

·高效动力和清洁燃烧，汇聚了无尽挑战和志趣！

王志教授简介

王志，汽车工程系教授。1994年获湖南大学学士学位，2002年获华中理工大学硕士，2005年获清华大学博士。博士毕业留校后一直承担本科生基础课和研究生学位课的一线教学，主讲汽车发动机原理（清华大学精品课）。任中国内燃机学会汽油机和燃气机分会副主任委员、燃料与润滑油分会秘书长。王志教授致力于高效清洁燃烧和混合动力的研发，其团队在能源与燃烧科学重要期刊发表论文约 60 篇，包括《能源与燃烧科学进展》、《中国科学》、《燃烧与火焰》，发明专利约50项，国际会议特邀报告约30次。推动了我国内燃机科技的源头创新和国际影响，获中国汽车工业技术发明一等奖和内燃机学会自然科学一等奖。2018年6月，被聘为清华大学长聘教授。

IJER highly cited paper

清华汽车系青年教师王志应邀发表发动机爆震燃烧综述文章

原文链接

清华新闻网5月6日电 5月4日，清华大学汽车系青年教师王志及其课题组在《能源与燃烧科学进展》（Progress in Energy and Combustion Science）在线发表题为“火花点火发动机中的爆震燃烧”（Knocking Combustion in Spark-ignition Engines）的综述文章。

高温高压条件下常规爆震和超级爆震机理的光学诊断。

论文集综述和研究为一体，结合爆震机理燃烧理论和爆震控制工程应用，系统地阐述了内燃机中爆震研究最新进展，包括爆震指数与燃料燃烧化学、压力震荡与壁面传热增强、爆燃转爆轰以及影响燃烧波模态和起爆模式的关键因素。在此基础上，综述了内燃机爆震控制方法，提出了爆震的抑制和利用的共性问题，展望了车、船、空、天发动机和工业爆炸领域中“宽温度压力条件下爆震燃烧模态转换与调控”的研究方向，对于先进发动机的研发和工业安全生产具有重要指导意义。王志为第一作者兼通讯作者。

传统爆震和超级爆震对发动机的典型破坏形式：(a) 传统爆震 (b) 超级爆震。

王志及其所在的“燃烧与排放课题组”一直致力于内燃机高效能量转换和清洁燃料燃烧的研究，他本人先后主持了国家自然科学基金青年面上重点项目、973、863课题，在内燃机爆震燃烧机理、爆震波模态转换和缸内直喷汽油机（GDI）爆震燃烧抑制和利用的探索方面开展了大量研究，并取得了一系列重要突破。通过与共建单位清华大学燃烧能源中心在基础燃烧方面进行合作，王志课题组提出了“早燃是超级爆震发生的必要非充分条件”的论点，发明了用快速压缩机（RCM）研究发动机超级爆震的方法，首次发现了超级爆震中存在爆轰（Detonation）现象，并发展了爆震燃烧光学诊断方法，建立了压力波和化学反应耦合的震荡燃烧传热模型，提出了激波反射诱导爆轰的机制，揭示了近壁起爆机理，进而提出了高温高压条件下爆震燃烧控制方法。

以上成果相继发表在《中国科学》（Sci China）、《燃烧与火焰》(Combustion and Flame)、《国际燃烧会议》（Proceeding of Combustion Institute）、《燃烧科学与技术》（Combustion Science and Technology）、《激波》（Shock Waves）、《燃料》（Fuel）、《能源》（Energy）、《能量转换与管理》（Energy Conversion and Management）、《发动机研究》（International Journal of Engine Research）等国际期刊上（ESI高被引论文4篇），引起了学术界的广泛关注。

《能源与燃烧科学进展》（Progress in Energy and Combustion Science, PECS）是能源与燃烧领域的顶级期刊，专门邀请该领域知名专家撰写综述论文。最新公布的PECS期刊5年影响因子为23.634，在机械工程（132个期刊）和热力学（58个期刊）两个领域排名榜首。

研究

更多>

超级爆震（Deto-Knock）

直喷增压小排量是汽油机节油有效途径。但随着增压比提高（负荷增大至20bar以上平均有效压力BMEP时），出现了新的敲缸模式，极具破坏性，瞬时缸内压力甚至超过400bar，德国大众VW（2005）称为Unwanted Pre-ignition （不希望的早燃），奥地利AVL（2009）称为Mega Knock （大爆震），英国Shell （2009）称之为Super-knock（超爆），美国西南研究院SWRI （2011）称为LSPI（低速早燃）, 清华大学（2006）称之为 “超级爆震”（因超级爆震压力震幅△p>5.0MPa，超过常规爆震1~2个数量级以上, 因此我们在2006年国家863项目研究报告中把它叫做“”），但当时国际上对其燃烧机理不明确。本项目研究团队一直致力于超级爆震研究，到2013年通过光学诊断发现了“超级爆震中存在爆轰（Detonation）”，将超级爆震的英文正式命名为“”，发表在“发动机研究”国际知名期刊上(IJER 2015，International Journal of Engine Research)。目前世界范围发动机研发中都出现了超级爆震，各大机构正在研究其机理和解决方案。

发动机中的“超级爆震”通常是由炽热的机油或者颗粒物引起的早燃，进而引发爆轰的过程，与传统的末端自燃引起的压力震荡（常规爆震）不同，超级爆震一般出现在高功率汽油机的低速大负荷工况，压力震荡幅值超过常规爆震一个数量级，破坏力极强，也常被称作低速早燃（LSPI）。本课题组通过快速压缩机首次观察到爆轰的产生，揭示了“超级爆震”爆轰燃烧的本质：早燃—>末端自燃—>爆轰。

通过快速压缩机和发动机中的变工况研究，发现了早燃是超级爆震发生的必要非充分条件，进而得到了不同的初始热力学条件对起爆的影响，其中能量密度的影响主导，而温度的作用并不明显。

代表性论文：

爆轰起爆模式

高温高压封闭体系内的起爆和传统的爆燃转爆轰（DDT）机理有所不同，由于约束壁面的影响，原本在自由空间中会熄灭的爆轰能够经由反射聚焦而强化，得以传播。而传统的火焰加速机理同样也适用，如下图所示，火核发展过程逐渐形成皱褶火焰面，逐渐加速抵达壁面，接近壁面处的未燃气体收到压缩，发生自燃，产生的激波在壁面附近马赫反射，最终形成爆轰波。

本课题组通过可视化快速压缩机实验，已经探明高温高压封闭体系内的两种起爆模式：激波壁面反射起爆（shock wave reflection induced detonation，SWRID），激波与火焰面交互起爆（shock wave and flame front induced detonation, SWFID），二者都是由于末端自燃产生的激波到达界面，发生了形态转变，形成压力温度骤升的局部热点，使得激波与反应面耦合，发展成为爆轰，两种起爆模式的示意图如下。

SWRID：

SWFID：

1.SWRID

由边缘点火产生的火焰面向下传播的过程中，同时产生了弱激波，入射激波在壁面处发生马赫反射，随着夹角不断减小，三波点贴近壁面，滑移线与壁面之间急剧压缩形成高温区，三波点的激波汇聚导致局部热爆炸，化学反应面得以和激波面耦合产生爆轰。温度（左）、压力（右）。

2.SWFID

中心点火时，我们还观察到火焰面附近的起爆现象，SWFID。首先，火焰传播过程引发了末端自燃，上方的自燃产生了向下传播的反应面和激波，激波在抵达中心火焰面时，会产生折射，和三波点有着类似效果，形成了界面上的局部热点，最后起爆，同样在后续的传播中，在近壁处产生了更强的二次起爆，即SWRID。第一列：温度（左）、压力（右），第二列：HCO（左）、OH（右），第三列为同步实验图片。