GDI发动机应用米勒循环提高经济性的研究

发布时间：2017-08-15 19:10

  本文关键词：GDI发动机应用米勒循环提高经济性的研究

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【摘要】：随着汽车保有量的增加,越来越多的化石燃料被汽车消耗掉,与此同时,大量的二氧化碳被排放到大气中,加剧了温室效应。在这样的背景下,汽车的节能变成了当下汽车研究的重要方面。汽车的节能本质上是汽车内燃机消耗更少的燃油输出更多的功率。近年来,越来越多的节能技术在发动机上得到应用,米勒循环作为当下最有潜力的节能技术之一,也得到了越来越多的研究人员的关注。米勒循环(LIVC)在发动机上的应用,能够允许发动机采用更大的几何压缩比,降低发动机的泵气损失和排气损失,从而提高发动机的燃油经济性。本文以一台1.4L的GDI发动机为原型,研究应用米勒循环提高GDI发动机的燃油经济性。本文的研究主要分为两个部分:第一部分利用GT-POWER探究米勒循环(LIVC)对GDI发动机燃油经济性的改善效果。首先探究在原机上应用米勒循环对燃油经济性的改善。选取的工况为2200r/min转速下的75%负荷、50%负荷和25%负荷。通过比较发现,应用米勒循环相比于奥托循环在上述三个工况分别取得了燃油经济性提高1.19%、4.11%和6.15%的效果。第一部分另一个探究的内容是增大压缩比后的发动机应用米勒循环燃油经济性的改善效果。增大压缩比的方式有两种,第一种是保持燃烧室容积不变,增加发动机活塞行程(Chamber Volume Constant,CVC)。第二种是发动机活塞行程保持不变,减小燃烧室容积(Chamber Volume Small,CVS)。选取的工况是2200r/min转速下的120N.m、90N.m、60N.m和30N.m,压缩比从10.5分别被提高到11.5和12.5。通过比较两种压缩比增大方式取得的效果发现,CVS方式对燃油经济性的改善效果要好于CVC方式。采用CVS方式在120N.m、90N.m、60N.m和30N.m四个扭矩燃油经济性的提升分别达到了2.06%、2.52%、2.76%和2.04%。而采用CVC方式在相同的四个负荷燃油经济性的提升却只有0.89%、-0.4%、-2.43%和-9.77%。因此,选择CVS方式增大压缩比是一个比较明智的选择。第二部分利用发动机的进气道-燃烧室三维模型使用AVL-FIRE初步探究喷油参数对缸内混合气形成的影响。实验工况为2200r/min、50%负荷,进气门的关闭时刻为674°CA ATDC,点火提前角为-13°CA ATDC,混合气的平均当量比为1。模拟的发动机工作过程包括进气过程和压缩过程。喷油持续期分别为20°CA、35°CA和50°CA。在每个喷油持续期下,分别对应380°CA ATDC、420°CA ATDC、460°CA ATDC和500°CA ATDC四个不同的喷油时刻。分析速度场可知,气缸内的气流整体上是沿逆时针运动的。要得到尺寸大,强度高的滚流,当喷油持续期比较短,喷油时刻可以适当推迟;当喷油持续期较长时,喷油时刻的选择应该适中,过早和过迟都不利于滚流的形成。当喷油时刻相同时,短的喷油持续期总是能形成更强的滚流场,而且缸内滚流的方向也更趋向于一致。由模型整体和气缸内部的当量比曲线可知,推进进气歧管中的混合气平均当量比始终小于1,而且随着喷油时刻的推迟而变的更小。因此,要保证缸内总的平均当量比等于1,在喷油时,要减少燃油的喷入量。并且,喷油时刻越晚,燃油的喷入量就要越少;当喷油时刻比较早时,推出气缸外的燃油量随着喷油持续期的延长变化不大。而当喷油时刻延后时,推出气缸外的燃油量开始随着喷油持续期的延长而明显减少。因此,当喷油时刻比较晚而且喷油持续期较长时,如果要使气缸中整体的平均当量比为1,就要进一步适当的减少燃料的喷入量。分析浓度场可知:浓度场的浓区依次出现在气缸左侧、活塞顶面、气缸右侧,之后再向气缸内部扩散,总体上是遵循一个逆时针扩散方向。回流到进气歧管中的混合气也在这个过程中由稀变浓。随着喷油时刻的提前和喷油持续期的缩短,在点火时刻形成的混合气均匀程度越来越好,进气门关闭后期回流到进气歧管中的混合气均匀程度也越来越好,浓度越来越高。
【关键词】：直喷发动机 燃油经济性 米勒循环 压缩比 喷油时刻 喷油持续期
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U464
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 绪论12-24
• 1.1 引言12-15
• 1.2 缸内直喷汽油机15-17
• 1.2.1 缸内直喷发动机的优缺点15-16
• 1.2.2 缸内直喷发动机的混合气形成16-17
• 1.3 可变气门技术17-19
• 1.3.1 可变气门技术的发展17
• 1.3.2 全可变气门技术的优势17-19
• 1.3.3 全可变气门机构的分类19
• 1.4 米勒循环19-21
• 1.4.1 米勒循环的由来19-20
• 1.4.2 米勒循环的优缺点20-21
• 1.5 米勒循环在汽油机上应用的研究21-22
• 1.5.1 国外研究现状21-22
• 1.5.2 国内研究现状22
• 1.6 本文主要研究内容及意义22-24
• 第2章 GDI发动机GT-POWER模型的建立和验证24-36
• 2.1 GT-POWER和GT-POST软件的介绍24-25
• 2.2 GDI发动机的模型建立25-33
• 2.2.1 原机参数25-26
• 2.2.2 外部环境26
• 2.2.3 进排气管路各组件参数的设定26-29
• 2.2.4 发动机主体组件参数的设定29-33
• 2.3 GDI发动机的模型的验证33-34
• 2.4 本章小结34-36
• 第3章 米勒循环对GDI发动机燃油经济性的影响36-64
• 3.1 奥托循环控制负荷和米勒循环控制负荷的原理36-37
• 3.2 GT-POWER中能量分析原理37-39
• 3.3 米勒循环对原机燃油经济性的影响39-46
• 3.3.1 米勒循环和奥托循环燃油经济性的比较39-42
• 3.3.2 米勒循环和奥托循环的燃油能量分配比较42-44
• 3.3.3 米勒循环和奥托循环的泵气损失比较44-46
• 3.3.4 米勒循环和奥托循环的摩擦损失比较46
• 3.4 米勒循环对高压缩比的GDI发动机的燃油经济性的影响46-62
• 3.4.1 提高发动机压缩比的措施46-47
• 3.4.2 爆震模型的设置47-48
• 3.4.3 高压缩比发动机应用米勒循环对燃油经济性的影响48-53
• 3.4.4 增大发动机压缩比燃油能量分配情况53-55
• 3.4.5 增大发动机压缩比的缸内温度和传热率情况55-58
• 3.4.6 增大发动机压缩比的泵气损失情况58-60
• 3.4.7 增大发动机压缩比的摩擦损失情况60-62
• 3.5 本章小结62-64
• 第4章 LIVC在GDI发动机上应用的喷油参数的初步探究64-92
• 4.1 三维仿真模型的建立64-66
• 4.1.1 三维模型动网格的划分64-66
• 4.1.2 计算边界条件和燃烧室初始条件66
• 4.1.3 模拟中计算模型的选择66
• 4.2 三维仿真模型的验证66-68
• 4.3 喷油参数的探究思路以及探究方案68-70
• 4.3.1 喷油参数的探究思路68-69
• 4.3.2 喷油参数的探究方案69-70
• 4.4 喷油参数对缸内混合气形成过程的分析70-83
• 4.4.1 缸内速度场分析70-76
• 4.4.2 缸内浓度场分析76-83
• 4.5 喷油参数对推出气缸的混合气的影响83-89
• 4.5.1 进气门处的浓度场分析83-86
• 4.5.2 气缸内和模型整体的平均当量比分析86-89
• 4.6 本章小结89-92
• 第5章 全文总结和工作展望92-96
• 5.1 全文总结92-94
• 5.2 工作展望94-96
• 参考文献96-102
• 作者简介及科研成果102-104
• 致谢104

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本文编号：679817