直喷汽油机冷启动工况壁面油膜特性及其对碳烟排放的影响研究

发布时间：2017-09-20 16:15

  本文关键词：直喷汽油机冷启动工况壁面油膜特性及其对碳烟排放的影响研究

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【摘要】：汽油缸内直喷(GDI)在改善经济性和动力性等方面有较大优势,已经成为内燃机发展的主要方向之一。GDI发动机将燃油直接喷射到气缸内,不可避免的引起喷雾撞壁。喷雾撞壁有利于油滴的二次破碎,但也容易形成壁面油膜,在冷启动阶段表现的更加明显。由于缸内和壁面温度较低,燃油雾化质量较差,并且壁面油膜蒸发困难,导致局部混合气浓度较高,促使大量碳烟的形成。针对以上问题,本文通过不同喷油策略下油膜及碳烟的特性来研究油膜和碳烟的生成机理及影响因素,并在此基础上进一步探究壁面油膜特性对碳烟排放的影响。为了实现上述研究目的,首先,建立了气道及燃烧室几何模型;然后,利用AVL FIRE软件建立了CFD模型,确定其初始、边界条件,并验证了模型的正确性;最后,在不同喷油角度、喷油时刻以及喷油压力下对喷雾及燃烧排放过程进行仿真计算,并对结果进行分析。研究结果表明:喷油器与气缸轴线夹角为0°时,壁面油膜只在活塞顶部形成,且厚度较小,碳烟排放量较低;喷油角度为30°和45°喷射时,在气缸壁面和活塞顶部都形成了壁面油膜,油膜较厚,并且燃烧放热滞后,碳烟排放较高;在压缩阶段喷油时,随着喷油时刻的提前,壁面油膜质量和厚度都明显减小,同时燃烧充分,形成的碳烟量较少;当喷油时刻推迟到喷油结束立即点火时,在火花塞附近形成了分层的浓混合气,但是浓度较高,碳烟排放量较大;随着喷油压力的增加,在活塞顶部形成更多的壁面油膜,但是油滴粒径较小,且混合气较均匀,最终形成碳烟量较少;壁面油膜所在位置的碳烟主要在燃烧后期形成,由于氧含量不足,碳烟无法得到氧化而伴随尾气排放造成环境污染;壁面油膜所引起的碳烟生成量随着油膜蒸发率的增加而增加,而油膜厚度与碳烟排放则没有表现出一定的规律性。
【关键词】：直喷汽油机 冷启动 壁面油膜 碳烟
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U464.171
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-22
• 1.1 课题研究背景和意义10-12
• 1.1.1 汽车、环境与健康10-11
• 1.1.2 GDI汽油机的特点11-12
• 1.2 GDI汽油机的研究现状12-14
• 1.3 冷启动壁面油膜的研究现状14-19
• 1.3.1 壁面油膜理论性研究进展15-17
• 1.3.2 壁面油膜试验性研究进展17-18
• 1.3.3 壁面油膜数值模拟研究进展18-19
• 1.4 冷启动颗粒物排放研究进展19-21
• 1.4.1 国外研究现状19-20
• 1.4.2 国内研究现状20-21
• 1.5 本文研究内容21-22
• 2 数值模拟基础及计算模型22-32
• 2.1 基本控制方程22-24
• 2.1.1 质量守恒方程22-23
• 2.1.2 动量守恒方程23
• 2.1.3 能量守恒方程23-24
• 2.1.4 组分守恒方程24
• 2.2 计算模型24-31
• 2.2.1 湍流模型24-26
• 2.2.2 喷雾模型26-29
• 2.2.3 燃烧模型29-30
• 2.2.4 碳烟生成模型30-31
• 2.3 本章小结31-32
• 3 模型的建立及初始边界条件的确定32-43
• 3.1 几何模型的建立33-35
• 3.2 计算网格的划分35-39
• 3.3 初始及边界条件设置39-40
• 3.4 计算步长的确定40-41
• 3.5 模型的验证41
• 3.6 本章小结41-43
• 4 冷启动工况壁面油膜特性研究43-63
• 4.1 壁面油膜守恒方程44-45
• 4.1.1 壁面油膜质量方程44
• 4.1.2 壁面油膜动量方程44-45
• 4.1.3 壁面油膜能量方程45
• 4.2 壁面油膜模型45-47
• 4.2.1 蒸发模型46-47
• 4.2.2 卷吸模型47
• 4.2.3 飞溅模型47
• 4.3 不同喷油参数对壁面油膜影响47-62
• 4.3.1 喷油角度对壁面油膜影响47-53
• 4.3.2 喷油时刻对壁面油膜影响53-58
• 4.3.3 喷油压力对壁面油膜影响58-62
• 4.4 本章小结62-63
• 5 冷启动工况碳烟形成及排放研究63-78
• 5.1 混合气形成过程研究63-66
• 5.2 碳烟形成过程研究66-70
• 5.3 不同喷油参数对碳烟排放影响70-77
• 5.3.1 喷油角度对碳烟排放的影响70-72
• 5.3.2 喷油时刻对碳烟排放的影响72-75
• 5.3.3 喷油压力对碳烟排放的影响75-77
• 5.5 本章小结77-78
• 6 壁面油膜对碳烟排放影响研究78-85
• 6.1 壁面油膜位置碳烟形成过程研究78-81
• 6.2 壁面油膜蒸发率对碳烟排放影响81-83
• 6.3 壁面油膜厚度对碳烟排放的影响83-84
• 6.4 本章小结84-85
• 7 总结与展望85-87
• 7.1 全文总结85-86
• 7.2 工作展望86-87
• 参考文献87-92
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果92-93
• 致谢93-94

【参考文献】

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本文编号：889094