空气辅助直喷汽油机喷雾特性及缸内混合气形成的研究

发布时间：2017-09-10 23:26

  本文关键词：空气辅助直喷汽油机喷雾特性及缸内混合气形成的研究

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【摘要】：在汽油机纷纷采用缸内直喷技术来提升发动机性能的发展趋势下,空气辅助直喷喷嘴因具有在较低喷射压力下实现高质量雾化效果的特点而受到越来越多的重视。此类喷油器喷出的是燃油与空气的混合物,所以其喷雾特性有别于常见的高压直喷喷嘴,而国内外对此类喷嘴应用于直喷发动机的研究相对较少,为此本文采用高速摄影法与激光衍射法对空气辅助直喷喷嘴喷雾的宏观特性和微观特性进行了光学测试,并建立了缸内直喷(GDI)发动机混合气形成的仿真计算模型,开展了喷油参数和缸内气流运动对喷雾特性及混合气形成影响规律的研究。光学试验研究中设计并搭建了定容弹及缸筒全透明式光学发动机两种试验平台,定容弹试验平台可方便地模拟出燃油喷射时刻缸内的温度与压力,而光学发动机试验平台能更好地反映出缸内复杂的气流运动对喷雾特性及混合气形成过程的影响,弥补了定容弹在喷雾特性研究中的不足,两种试验平台相结合能更全面、更准确地反映出各种参数对GDI发动机喷雾特性的影响。根据空气辅助喷射的特点定义了喷雾燃空比(γ),而为反映出缸内气流流场对喷雾特性的影响,本文中首次引入了喷雾左半锥角(α)、喷雾右半锥角(β)及喷雾锥角偏移度(Φ)的新概念,与常用的贯穿距离(L)和喷雾锥角(θ)等参数相结合能更好地表征出燃油的喷雾特性。在此基础上研究了不同喷雾燃空比、喷射压力、环境压力、喷射开始时刻、活塞顶形状及发动机转速等参数对空气辅助直喷喷嘴喷雾特性的影响。此外,还利用激光粒度仪对该喷嘴的喷雾粒径(SMD)进行了测量并分析研究了其变化规律。模拟仿真研究中首先利用CFD软件(AVL-FIRE)建立了GDI发动机缸内混合气形成的仿真计算模型,并通过相关试验数据对该模型中的进气道模型和喷雾模型进行了验证,以保证利用该模型开展的仿真研究具有一定的可信性和正确性。而后通过仿真计算分析研究了不同喷雾粒径、燃油喷射开始时刻及活塞顶形状等参数对缸内混合气形成过程及浓度分布的影响规律。对于喷雾微观特性的研究结果表明,空气辅助直喷喷嘴的喷雾粒径(SMD)正比于喷雾燃空比(γ),特别是当喷雾燃空比γ小于0.8时,喷雾的SMD会有明显降低。当燃油喷射与混合气喷射之间的时间间隔增大时,SMD会随之减小并趋于稳定。而提高喷射压力同样可改善空气辅助直喷喷嘴的雾化效果。对于喷雾宏观特性的研究结果表明,在定容弹内,降低γ值(增大空气喷射量或减少燃油喷射量)会使喷雾锥角有降低的趋势,但对贯穿距离的影响并不显著。在相同的试验工况下,相比于喷射汽油而言,航空煤油喷雾的贯穿距离相对更长,且喷雾锥角相对更小;提高喷油压力会使两种燃料喷雾的贯穿距离和喷雾锥角均增大;增大环境压力时,两种燃料喷雾的贯穿距离均会随之降低,而喷射煤油时的喷雾锥角会随之减小,但喷射汽油时喷雾锥角几乎不变。对于发动机缸内混合气形成过程的研究结果表明,由于光学发动机中进气气流的影响,空气喷射量的增加会使光学发动机内的喷雾锥角增大,贯穿距离变小,这与定容弹内的测试结果有所不同。此外,两种试验条件下喷雾锥角随时间的变化趋势也有明显差异。而进气气流对喷雾场整体有明显的吹偏作用。随着燃油喷射时刻推迟,进气气流对喷雾场的吹偏作用逐渐减弱,喷雾锥角偏移度随之减小,而喷雾的贯穿距离不断增大;进气气流的流速随着发动机转速的下降而降低,其对喷雾场的影响也随之减弱,喷雾锥角、喷雾半锥角及喷雾锥角偏移度均随之减小,但喷雾贯穿距离的变化并不显著。而不同的活塞顶形状也会因影响了缸内气流流场而使喷雾特性发生改变。同时,燃油喷射时刻、发动机转速以及活塞顶形状等参数也均因影响了喷雾在气缸内的空间分布以及与活塞碰撞的位置,而使燃油的蒸发以及缸内混合气浓度分布的规律发生改变。
【关键词】：空气辅助喷射 光学发动机 喷雾特性 混合气形成 缸内直喷
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK411
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-16
• 字母注释表16-17
• 第一章 绪论17-33
• 1.1 引言17-18
• 1.2 缸内直喷汽油机的发展与特点18-27
• 1.2.1 缸内直喷汽油机的发展历程18-19
• 1.2.2 缸内直喷汽油机的优势19-21
• 1.2.3 缸内直喷汽油机的不足和挑战21-22
• 1.2.4 缸内直喷汽油机的燃烧系统22-23
• 1.2.5 缸内直喷汽油机的燃油喷射系统23-27
• 1.3 缸内直喷汽油机喷雾特性及混合气形成的研究现状27-31
• 1.3.1 喷雾特性及混合气形成的试验研究现状27-30
• 1.3.2 喷雾特性及混合气形成的仿真研究现状30-31
• 1.4 本课题研究的意义及主要内容31-33
• 第二章 光学试验平台的研发及试验方法介绍33-50
• 2.1 光学试验平台的研发33-45
• 2.1.1 定容弹试验平台的研发33-37
• 2.1.2 缸筒全透明式光学GDI发动机试验平台的研发37-41
• 2.1.3 低压空气辅助直喷系统41-45
• 2.2 试验方法介绍45-49
• 2.2.1 喷雾特性的试验研究方法45-48
• 2.2.2 喷雾粒径分布的试验研究方法48-49
• 2.3 本章小结49-50
• 第三章 GDI发动机缸内混合气形成仿真计算模型的建立50-65
• 3.1 数值模拟技术的理论基础50-57
• 3.1.1 基本控制方程50-52
• 3.1.2 仿真计算模型52-56
• 3.1.3 数值计算方法56-57
• 3.2 进气道稳流仿真计算模型的建立57-60
• 3.2.1 进气道几何模型的建立58
• 3.2.2 进气道稳流计算模型的网格划分58-59
• 3.2.3 进气道稳流仿真中计算求解器的设置59-60
• 3.3 GDI发动机仿真计算模型的建立60-64
• 3.3.1 GDI发动机几何模型的建立60-61
• 3.3.2 GDI发动机仿真计算模型的网格划分61-63
• 3.3.3 初始条件和边界条件的确定63-64
• 3.4 本章小结64-65
• 第四章 空气辅助直喷汽油机喷雾雾化粒径及喷雾特性的试验研究65-109
• 4.1 空气辅助直喷喷嘴流量特性的测定65-66
• 4.2 空气辅助直喷喷嘴雾化粒径的试验研究66-71
• 4.2.1 喷雾燃空比对雾化粒径的影响67-69
• 4.2.2 喷射间隔对雾化粒径的影响69-70
• 4.2.3 喷射压力对雾化粒径的影响70-71
• 4.3 空气辅助直喷喷嘴在定容弹内的喷雾特性试验研究71-86
• 4.3.1 定容弹内喷雾特性的参数定义71-72
• 4.3.2 喷雾燃空比对喷雾特性的影响72-74
• 4.3.3 喷射压力对喷雾特性的影响74-76
• 4.3.4 环境压力对喷雾特性的影响76-78
• 4.3.5 不同燃料的喷雾特性对比78-86
• 4.4 GDI发动机缸内喷雾特性的试验研究86-106
• 4.4.1 缸内喷雾特性的几个重要参数定义86-87
• 4.4.2 气流运动对缸内喷雾特性的影响87-91
• 4.4.3 喷射时刻对缸内喷雾特性的影响91-95
• 4.4.4 发动机转速对缸内喷雾特性的影响95-98
• 4.4.5 活塞顶形状对缸内喷雾特性的影响98-102
• 4.4.6 喷雾燃空比对缸内喷雾特性的影响102-106
• 4.5 本章小结106-109
• 第五章 GDI发动机缸内混合气形成的模拟仿真研究109-124
• 5.1 仿真计算模型的验证109-112
• 5.1.1 进气道模型的验证109-111
• 5.1.2 喷雾模型的验证111-112
• 5.2 喷雾粒径对缸内混合气形成的影响112-116
• 5.3 喷射时刻对缸内混合气形成的影响116-119
• 5.4 活塞顶形状对缸内混合气形成的影响119-122
• 5.5 本章小结122-124
• 第六章 总结与展望124-128
• 6.1 全文总结124-126
• 6.2 工作展望126-128
• 参考文献128-137
• 发表论文和参加科研情况说明137-138
• 致谢138-139

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