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应用激光诱导荧光法研究直喷汽油机缸内混合气形成过程

作　者: 马骁
导　师: 王建昕
学　校: 清华大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 缸内直喷汽油机多组分燃油激光诱导荧光混合气
分类号: TK411
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

以激光诱导荧光法(PLIF)为代表的内燃机缸内燃烧过程可视化研究是近年来车用发动机研发工作中的重要内容,目前我国在这一领域与国外先进水平相比还有明显差距,而新一代缸内直喷汽油机(GDI)的自主研发迫切需要建立先进可视化试验平台。本文即围绕这一目标开展研究工作。首先,搭建了内燃机激光测试可视化平台,包括可以工作于GDI模式的光学发动机、定容燃烧弹、激光片光系统、同步装置、燃油供给装置等,可以实现对发动机喷雾和缸内混合气状态进行包括PLIF在内的多种光学测量。完成了PLIF定量研究的标定和校正方法,并对标定的具体计算过程进行了部分改进。其次,开发了设计PLIF试验用多组分替代燃油的普遍方法,可以同时满足试验燃料与真实汽油的挥发特性相似性要求和试验用示踪剂与所代表组分同步挥发的要求,并实际设计了一种五组分替代燃油以配合轻中重三种示踪剂。通过变参数分析计算比较了多组分燃油不同配比方案的优劣,研究了温度、组分比例对同步挥发特性的影响,以及设计过程中改进气液平衡计算(VLE)收敛性的优化方法。基于理论计算和试验结果的综合分析从原理上提出了快速设计时筛选组分的优选原则。第三,用PLIF方法定量研究了多种GDI两段喷射策略下缸内的混合气浓度分布,对火花塞附近混合气浓度的不均匀性和循环变动进行了分析。采用优化的五组分燃油方案对缸内混合气分布进行了研究。重点研究了燃油轻、中、重三种不同组分在不同喷射策略下火花点火时刻的分布差异,基于获得的图像结果采用定量方法研究了火花塞附近混合气浓度的循环变动,对测试结果序列相对于平均结果的误差进行了评估,结果表明芳烃类荧光剂对误差的影响相对较大。最后,采用KIVA-3V程序(源代码),在与可视化结果对比的基础上,研究了不同转速、不同油量、不同二次喷射比例和喷射时刻等条件下混合气的状态和适宜的点火提前角范围。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-12
第1章引言  12-16
  1.1 课题的背景及意义  12-14
  1.2 主要研究内容及本文结构  14-16
第2章内燃机光学测试及GDI 缸内混合气状态研究进展  16-32
  2.1 光学测试技术综述  16-24
    2.1.1 主要光学测试技术  16
    2.1.2 常用于物质分布测试的激光技术  16-24
  2.2 用LIF 技术测量燃料浓度分布的进展情况  24-28
  2.3 关于GDI 缸内混合气形成的研究进展  28-31
  2.4 本章小结  31-32
第3章 PLIF 测试平台建设及其试验方法研究  32-55
  3.1 可视化系统整体布置  32-33
  3.2 光学发动机设计和改造  33-38
  3.3 定容燃烧弹系统  38-40
  3.4 用于PLIF 研究的光学系统  40-43
    3.4.1 激光器  40
    3.4.2 片光和光路组件  40-42
    3.4.3 ICCD 相机  42-43
  3.5 同步装置设计  43-46
    3.5.1 激光器与光学发动机的电子同步装置  43-44
    3.5.2 用于定容弹喷雾试验的简易电子同步装置  44-45
    3.5.3 机械-光路耦合的同步标识装置  45-46
  3.6 PLIF 试验方法研究  46-51
    3.6.1 PLIF 基本试验方法  46-47
    3.6.2 标定的原理和实现  47-51
  3.7 PLIF 测试平台有效性验证试验  51-53
  3.8 本章小结  53-55
第4章基于气液平衡和热重分析的PLIF 多组分燃油设计  55-79
  4.1 气液平衡计算基本原理  55-59
  4.2 多组分燃油设计中的VLE 计算的算法和实现  59-64
  4.3 多组分燃油设计方法  64-69
    4.3.1 多组分燃油设计基本方法  64-67
    4.3.2 轻组分的优化问题  67-69
  4.4 组分、温度对于同步挥发率的影响研究  69-77
    4.4.1 示踪剂变化对同步挥发率的影响  69-72
    4.4.2 燃油组分变化对同步挥发率的影响  72-74
    4.4.3 温度的影响  74-77
  4.5 影响快速设计的关键因素  77
  4.6 本章小结  77-79
第5章基于PLIF 的GDI 缸内混合气分布特性研究  79-97
  5.1 GDI 缸内多段喷射策略的研究  79-88
    5.1.1 试验相关参数  79-80
    5.1.2 试验结果与分析  80-88
  5.2 基于多组分燃油的GDI 缸内混合气研究  88-95
    5.2.1 试验相关参数  88-89
    5.2.2 多组分燃油试验结果与分析  89-95
  5.3 本章小结  95-97
第6章基于可视化结果的缸内喷射数值模拟研究  97-111
  6.1 KIVA-3V 计算相关主要数学模型  97-102
    6.1.1 守恒控制方程  97-98
    6.1.2 湍流模型  98-99
    6.1.3 液滴模型  99-100
    6.1.4 液滴蒸发模型  100-101
    6.1.5 液滴破碎模型  101-102
  6.2 模拟计算研究  102-109
    6.2.1 网格与相关参数  102-105
    6.2.2 不同喷射策略下的最佳点火时刻和适宜点火范围  105-107
    6.2.3 转速的影响  107-108
    6.2.4 两次喷射比例的影响  108-109
    6.2.5 不同燃空当量比的影响  109
  6.3 本章小结  109-111
第7章总结  111-115
  7.1 主要研究结论  111-113
  7.2 主要创新点  113-114
  7.3 研究展望  114-115
参考文献  115-125
致谢  125-127
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  127-129

应用激光诱导荧光法研究直喷汽油机缸内混合气形成过程

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