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缸内直喷汽油机热机起动首循环着火特性的研究

作　者: 段伟
导　师: 洪伟
学　校: 吉林大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 缸内直喷汽油机计算流体力学快速起动首循环着火和燃烧
分类号: TK411.24
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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引　用: 2次
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内容摘要

随着能源短缺和环境污染问题愈演愈烈,人们开始广泛关注实现汽车节能减排的相关技术。其中,汽车应用怠速-停止技术,即怠速时发动机熄火,行车时快速起动的技术,可以有效降低城市工况下燃油消耗量和整车排放,赢得了许多国家和地区政府的认可。传统进气道喷射汽油机从起动喷油到缸内着火做功最快也要2～3个冲程,致使重新起动产生较长时间延滞。而直喷汽油机可在1个冲程内着火做功,为快速起停技术提供了良好的载体。在缸内直喷汽油机上采用怠速-停止技术,实现快速起动,可以直接向处于压缩行程或膨胀行程的气缸喷入燃油。但是由于发动机热机停止,活塞停止位置的随机性,导致滞留在气缸中的气体的质量是不确定的,而且这些气体直接受到高温气缸壁、气缸盖的加热,温度要高于普通工况进入气缸内的气体温度,所以在起动时其着火的初始边界条件具有特殊性。本文针对这种条件研究了不同冷却液温度、活塞停止位置以及喷油参数对首次喷油气缸内着火情况的影响。并且基于CFD商用软件FIRE对活塞处于不同初始位置时,气缸内气液混合流的浓度场、温度场和速度场的动态分布特点进行了数值模拟,分析了不同喷油时刻和喷油量对火花塞附近混合气浓度的影响。本文的主要研究结论如下:1.当活塞从60°CA BTDC起动时,喷油后油束最前端出现卷吸现象,并在气缸内形成逆滾流,压缩上止点时缸内温度相对较低。喷油量较稀或适中时,均可点燃。喷油量较浓时,喷油时刻越早,失火的可能性越大。当活塞从90°CA BTDC起动时,喷油量适中时,喷油时刻对其燃烧情况影响不大。当活塞从120°CA BTDC或150°CA BTDC起动时,喷油量较多时,喷油时刻对其燃烧情况影响不大,但在150°CA BTDC起动时,喷油量较少时,自燃的可能性增加。当活塞从180°CA BTDC起动时,喷油时刻越晚,缸内温度越高,温度梯度越大。喷油量少或适中时,喷油时刻对其燃烧情况影响不大。喷油量较多时,喷油时刻过早或过晚时,自燃可能性增加。2.喷油时刻在90°CA BTDC附近时,缸内产生两个运动方向相反的滾流,在其作用下,油束向燃烧室两侧扩散。喷油时刻较早或较晚时,油束主要在壁面的引导下向火花塞附近运动。3.当冷却液温度在100℃,活塞初始位置距离压缩上止点小于90°曲轴转角时,在混合气偏浓和偏稀处出现失火区域,中间为点燃区域;随着活塞初始位置逐渐远离上止点,点燃区域逐渐增大,向偏浓失火区扩展。当活塞初始位置距离上止点大于120°曲轴转角时,在偏稀失火区和点燃区之间出现了自燃区,随曲轴转角逐渐增大,自燃区面积增加,向点燃区扩展。喷射时刻选择适中,处于压缩上止点前60°~90°曲轴转角并且采用较浓的混合气有助于避免自燃的发生。4.当发动机热机起动,直接向处于压缩冲程的气缸喷油时,冷却液温度对缸内混合气能否发生自燃影响较大。冷却液温度越高,自燃区越大。5.在点燃区内,对一定的喷油量,不同的喷油定时对其燃烧状况影响不大,燃烧始点一样,最高燃烧爆发压力相差不多。在自燃区内,不同的喷油定时对其燃烧状况影响较大,喷油定时越早,自燃始点随之提前,最高燃烧压力也相应增大。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-24
  1.1 引言  12-15
  1.2 缸内直喷汽油机的特点  15-18
    1.2.1 缸内直喷汽油机燃烧系统  15-16
    1.2.2 缸内直喷汽油机的燃油喷射系统  16-17
    1.2.3 缸内直喷汽油机的缸内流场  17-18
    1.2.4 缸内直喷汽油机排放问题  18
  1.3 直接起动-停止技术研究现状  18-20
  1.4 缸内直喷汽油机数值模拟  20-23
    1.4.1 计算流体力学概述  20
    1.4.2 计算流体力学软件简介  20-22
    1.4.3 缸内直喷汽油机数值模拟现状  22-23
  1.5 本文研究的主要内容  23-24
第二章数值计算基础  24-32
  2.1 基本守恒方程  24-25
    2.1.1 质量守恒方程  24
    2.1.2 动量守恒方程  24-25
    2.1.3 能量守恒方程  25
    2.1.4 组分守恒方程  25
  2.2 数值计算模型的选择  25-28
    2.2.1 湍流模型  25-26
    2.2.2 喷雾模型  26-28
  2.3 数值计算算法  28-31
    2.3.1 有限容积法  29-30
    2.3.2 流场计算的SIMPLE 算法  30-31
  2.4 本章小结  31-32
第三章研究平台的建立  32-42
  3.1 试验平台的搭建  32-36
    3.1.1 试验对象和测试仪器  32-33
    3.1.2 起动过程控制系统  33-34
    3.1.3 冷却液温度控制系统  34
    3.1.4 喷油器、燃油轨压传感器标定系统  34-36
  3.2 模拟平台的搭建  36-40
    3.2.1 几何模型的建立  36-37
    3.2.2 计算网格模型的建立  37-39
    3.2.3 计算初始条件和边界条件  39
    3.2.4 喷雾模型的验证  39-40
  3.3 本章小结  40-42
第四章 GDI 发动机热机状态起动时首循环喷雾模拟研究  42-72
  4.1 GDI 发动机起动时首循环第一燃烧缸喷雾的模拟研究  42-65
    4.1.1 计算参数设置及模型验证  42-43
    4.1.2 活塞起动位置为60°CA BTDC 时喷雾过程的研究  43-50
    4.1.3 活塞起动位置为90°CA BTDC 时喷雾过程的研究  50-54
    4.1.4 活塞起动位置为120°CA BTDC 时喷雾过程的研究  54-60
    4.1.5 活塞起动位置为150°CA BTDC 时喷雾过程的研究  60-65
  4.2 GDI 发动机起动时首循环第二燃烧缸喷雾的模拟研究  65-71
    4.2.1 混合气浓度较稀时，喷油定时对缸内温度场、速度场和浓度场的影响  65-67
    4.2.2 混合气浓度较浓时，喷油定时对缸内温度场、速度场和浓度场的影响  67-71
  4.3 本章小结  71-72
第五章 GDI 发动机热机起动首循环着火特性的研究  72-78
  5.1 前言  72
  5.2 试验方法  72-73
  5.3 试验结果及分析  73-77
    5.3.1 不同活塞初始位置对起动首循环着火的影响  73-76
    5.3.2 不同冷却液温度对起动首循环着火的影响  76
    5.3.3 点燃区和自燃区燃烧特性  76-77
  5.4 本章小结  77-78
第六章全文总结  78-80
  6.1 全文总结  78-79
  6.2 工作展望  79-80
参考文献  80-84
图表索引  84-86
攻读硕士学位期间已发表的学术论文  86-87
致谢  87

缸内直喷汽油机热机起动首循环着火特性的研究

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