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先进直喷汽油机喷嘴选型与匹配技术研究

作　者: 李相超
导　师: 张玉银
学　校: 上海交通大学
专　业: 车辆工程
关键词: 直喷汽油机燃油湿壁喷雾特性 CFD数值模拟多段喷射
分类号: TK413.84
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

相对于传统气道喷射汽油机,直喷汽油机在燃油经济性、动力性及冷启动等多个方面具有明显的优势,是汽油机发展的必然趋势。然而,直喷汽油机普遍存在的燃油湿壁问题会导致机油稀释,燃油经济性下降以及尾气排放增加。通过喷雾、燃烧室及缸内流场三者合理匹配与优化可以大大减少燃油湿壁。CFD计算以其成本和时间优势在燃烧系统优化匹配方面取得了广泛应用。但是,由于缺乏全面准确模型标定数据,现有的大部分CFD计算研究可靠性得不到保证。为弥补现有研究的不足,本文通过瞬态白光、LIF、PIV和PDI等先进的激光诊断技术对某多孔直喷喷油器的喷雾角、贯穿距、速度场和粒子直径等喷雾特性进行了全面的实验研究,利用商业CFD软件AVL FIRE建立了喷雾模型,并利用实验数据对建立的模型进行了标定和验证,最后将标定好的喷雾模型放在增压直喷发动机三维动网格中对喷雾和混合气形成过程进行了仿真计算。通过本文的研究,可以得到如下结论:1)利用喷雾角、贯穿距、速度场、截面质量分布及粒径分布等激光测试结果对喷雾模型进行标定,可以得到准确可靠的喷雾计算模型;2)本文所研究的直喷发动机在低速全负荷工况存在严重的喷雾碰壁,碰壁位置主要位于进气侧气缸壁和活塞顶面;3)推迟喷油时刻可以减小喷雾碰壁量,但会导致混合气均匀性下降;4)两段喷射可以有效减小喷雾碰壁现象,但第二段喷射越晚,压缩上止点缸内混合气浓度分布均匀性越差;5)通过喷油器安装位置和喷孔布置优化可以一定程度地减小喷雾碰壁,并改善混合气浓度分布。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-20
  1.1 课题的背景和意义  10
  1.2 直喷汽油机简介  10-15
    1.2.1 缸内直喷技术的发展历程  11
    1.2.2 缸内直喷技术优点  11-12
    1.2.3 缸内直喷技术的不足和挑战  12-13
    1.2.4 直喷喷油器  13-14
    1.2.5 直喷汽油机混合气形成  14-15
  1.3 国内外研究现状  15-18
    1.3.1 国外研究  15-17
    1.3.2 国内研究  17-18
  1.4 本文的主要工作  18-20
第二章实验方法及装置  20-34
  2.1 实验总体方案  20-23
    2.1.1 实验条件  21-22
    2.1.2 实验内容和流程  22-23
  2.2 流量特性测试  23-24
  2.3 白光成像测试  24-27
    2.3.1 实验设备  24-25
    2.3.2 实验方法  25-26
    2.3.3 后处理方法  26-27
  2.4 喷雾落点分布测试  27-29
    2.4.1 实验设备  27-28
    2.4.2 实验方法  28
    2.4.3 后处理方法  28-29
  2.5 喷雾速度场测试  29-31
    2.5.1 实验设备  29-30
    2.5.2 实验方法  30-31
    2.5.3 后处理方法  31
  2.6 喷雾粒径分布测试  31-33
    2.6.1 实验设备  31-32
    2.6.2 实验方法  32-33
    2.6.3 后处理方法  33
  2.7 本章小结  33-34
第三章喷雾模型标定  34-53
  3.1 喷雾雾化过程  34-37
    3.1.1 初次破碎过程  34-36
    3.1.2 二次破碎过程  36-37
  3.2 基本方程和喷雾模型  37-44
    3.2.1 连续相基本控制方程  38-39
    3.2.2 离散液滴模型  39
    3.2.3 湍流计算模型  39-40
    3.2.4 液滴破碎模型  40-41
    3.2.5 液滴蒸发模型  41-42
    3.2.6 液滴相互作用模型  42-43
    3.2.7 液滴湍流扩散模型  43-44
  3.3 计算网格及计算设置  44-47
    3.3.1 计算网格构造  44-46
    3.3.2 计算条件设定  46-47
  3.4 仿真结果验证  47-51
    3.4.1 喷雾角与贯穿距对比  47-48
    3.4.2 喷雾落点分布对比  48-49
    3.4.3 喷雾速度场对比  49-50
    3.4.4 喷雾粒径数据对比  50-51
  3.5 本章小结  51-53
第四章缸内油气混合过程计算及分析  53-69
  4.1 计算用网格  53-55
  4.2 计算设置  55-58
    4.2.1 物理模型选择  55-56
    4.2.2 边界条件和初始化  56-57
    4.2.3 计算设置  57-58
  4.3 混合气形成过程及分析  58-68
    4.3.1 缸内压力  58-59
    4.3.2 缸内温度  59-60
    4.3.3 缸内喷雾发展过程  60-66
    4.3.4 混合气浓度分布  66-68
  4.4 本章小结  68-69
第五章喷射策略及喷油器几何参数优化  69-78
  5.1 喷油时刻  69-70
  5.2 两段喷射策略  70-73
  5.3 喷油器安装位置  73-75
  5.4 喷孔喷射方向  75-77
  5.5 本章小结  77-78
第六章总结和展望  78-80
  6.1 全文总结  78
  6.2 研究展望  78-80
参考文献  80-83
符号与标记（附录1）  83-85
图片标题（附录2）  85-87
表格目录（附录3）  87-88
致谢  88-89
攻读硕士期间已发表或录用的论文  89-91

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