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基于两次喷射的汽油缸内直喷式燃烧系统的研究

作　者: 王燕军
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: 缸内直喷汽油机两段喷射分层混合气实验研究数值模拟
分类号: TK413
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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引　用: 3次
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内容摘要

20 世纪90 年代发展的现代汽油缸内直喷(GDI)发动机,采用分层稀薄燃烧、精确的电控技术和较高的压缩比,提高了汽油机的燃油经济性和动力性,但燃烧系统设计和混合气形成控制技术十分复杂。　本文针对一般GDI 燃烧系统设计开发难度大和对控制参数过分敏感的问题,提出了一种以两次喷射作为分层稀燃混合气形成主要手段的汽油缸内直喷式(TSGDI)燃烧系统。该系统主要通过灵活调节两次喷油时刻和喷油量在缸内形成不同分层程度的混合气,采用简单的燃烧室形状配合高压旋流喷雾以及普通的进气涡流即可保证稳定的燃烧,从而降低了燃烧系统设计开发的难度,减少了混合气形成对燃烧室形状、气流运动的敏感程度。以一台双缸柴油机为基础进行了TSGDI 燃烧系统、电控供油系统的设计试制,考虑了喷油器和火花塞的布置、活塞凹坑和气流运动的配合等问题,完成了TSGDI 原理性试验样机的开发。　在TSGDI 原理性试验样机上,通过对发动机动力性、经济性、排放特性、示功图以及放热规律的分析,研究了用两段喷射控制分层混合气形成的基本规律,确定了最佳的一次和二次喷油时刻以及两次喷油量之比;研究了点火提前角、转速和空燃比等参数对发动机性能的影响。试验结果表明,经初步优化后的TSGDI 燃烧系统在所试的1200r/min～2200r/min 转速范围内,燃油消耗率比常规进气道喷射汽油机改善13%～24%,从而验证了以两次喷射作为分层稀燃主要控制手段的TSGDI系统的基本思路是可行的。　为深入了解TSGDI 燃烧系统缸内混合气形成过程, 本文在KIVA-3V 源代码程序基础上建立了GDI 高压旋流喷雾模型,通过模拟计算和模拟试验的对比验证了模型的准确性。在此基础上建立了TSGDI燃烧系统缸内混合气形成的数学模型,生成了实际燃烧系统的计算网格,利用试验方法确定了计算边界条件,研究了喷油、点火和转速等参数对混合气形成过程的影响,为发动机试验结果提供了理论支持。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
主要符号表  9-11
第一章引言  11-16
  1.1 课题的背景及意义  11-14
  1.2 主要研究内容及本文结构  14-16
第二章 GDI 发动机研究进展  16-42
  2.1 早期GDI 发动机燃烧系统简介  16-18
  2.2 现代GDI 发动机的研究开发  18-27
    2.2.1 稀燃分层混合气工作模式  19-26
    2.2.2 化学计量比均质混合气工作模式  26-27
  2.3 GDI 发动机设计开发的关键技术  27-38
    2.3.1 燃烧系统  27-32
    2.3.2 燃油供给系统  32-36
    2.3.3 混合气控制策略  36-38
  2.4 GDI 发动机的优缺点分析  38-41
    2.4.1 GDI 发动机的优点  38-39
    2.4.2 GDI 发动机商品化存在的问题  39-41
  2.5 本章小结  41-42
第三章 TSGDI 燃烧系统的基本思路与设计开发  42-56
  3.1 TSGDI 的基本思路  42-45
    3.1.1 燃烧系统总体方案  43-44
    3.1.2 基于两次喷射的分层混合气控制模式  44-45
  3.2 燃烧系统方案设计  45-55
    3.2.1 喷油器和火花塞位置的选择  46-50
    3.2.2 燃烧室形状设计  50-52
    3.2.3 气流引导形式的选择  52-53
    3.2.4 电控喷射系统及数采系统  53-55
    3.2.5 点火控制系统  55
  3.3 本章小结  55-56
第四章 TSGDI 燃烧系统混合气形成的数值模型  56-84
  4.1 GDI 喷雾和混合气形成的数值模拟综述  56-57
  4.2 KIVA-3V 程序简介  57-60
  4.3 TSGDI 系统混合气形成的数学模型  60-74
    4.3.1 守恒控制方程  60-61
    4.3.2 湍流流动模型  61-62
    4.3.3 基于KIVA-3V 的汽油高压旋流喷雾模型  62-72
    4.3.4 壁面对流换热模型-“壁函数”方法  72-74
  4.4 GDI 喷雾模型的验证  74-79
    4.4.1 汽油蒸发模型的验证  74-75
    4.4.2 液滴运动阻力模型的验证  75-76
    4.4.3 定容燃烧弹喷雾模拟的验证  76-79
  4.5 TSGDI 燃烧系统网格生成及边界、初始条件确立  79-83
  4.6 本章小结  83-84
第五章 TSGDI 系统分层混合气形成和燃烧特性研究  84-123
  5.1 试验装置及测试方法  84-92
    5.1.1 发动机性能试验台架  84-86
    5.1.2 主要测试装置  86-89
    5.1.3 TSGDI 燃烧系统可视化发动机平台  89-92
  5.2 喷射控制策略对发动机性能和混合气形成的影响  92-108
    5.2.1 两次喷射对混合气形成的影响  92-96
    5.2.2 一次喷油开始时刻的影响  96-100
    5.2.3 二次喷油开始时刻的影响  100-104
    5.2.4 两次喷油量之比的影响  104-108
  5.3 点火特性对发动机性能的影响  108-115
    5.3.1 定转速下发动机的点火特性  108-112
    5.3.2 转速和负荷对最佳点火提前角的影响  112-113
    5.3.3 空燃比对点火提前角的影响  113-115
  5.4 TSGDI 发动机的性能评价  115-120
    5.4.1 TSGDI 发动机的稀燃特性  115-118
    5.4.2 定转速下的负荷特性  118-120
    5.4.3 TSGDI 发动机燃油经济性评价  120
  5.5 本章小结  120-123
第六章总结与展望  123-125
  6.1 主要研究结果和结论  123-124
  6.2 展望和建议  124-125
参考文献  125-135
致谢及声明  135-136
个人简历、在学期间的研究成果及发表的论文  136-138

基于两次喷射的汽油缸内直喷式燃烧系统的研究

内容摘要

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