缸内直喷汽油机喷雾、混合气形成和燃烧过程的三维数值模拟

建立了带进排气道的缸内直喷(GDI)汽油机三维数值模型,并对喷雾模型和燃烧模型进行了实验标定,进而模拟了GDI发动机化学当量比条件下均质混合气和分层混合气两种模式从进气-喷雾-混合气形成-燃烧的全过程.模拟结果表明,GDI发动机高压多孔喷嘴喷雾雾化明显,贯穿距离较长,进气过程中缸内形成强滚流促进燃油蒸发和油气混合;进气冲程单次喷射可在缸内点火之前形成较为均匀的混合气,进气和压缩冲程中进行两次喷射可在缸内点火之前形成火花塞附近较浓、周围较稀的分层混合气;在化学当量比条件下适当采用分层混合气燃烧,与均质混合气相比可以降低燃烧速度,从而减小最大爆发压力和压力升高率.计算结果有助于深入理解GDI发动机的工作过程,并为后续研究GDI燃烧控制策略提供了模拟计算平台.     

缸内直喷汽油机燃油喷雾特性影响因素试验研究

在喷雾试验装置基础上,利用高速摄影技术研究了喷射压力、背压、喷油脉宽对缸内直喷汽油机多孔喷油器喷雾特性的影响。     

基于喷油器特征的缸内直喷汽油机混合气形成过程数值模拟

建立了多孔喷油器的一维仿真模型,对不同喷油压力下的喷油参数进行了计算,并详细分析了喷油器针阀开启和关闭时单孔喷雾锥角及喷孔出口有效流动面积的变化。以10 MPa喷油压力下的喷雾计算结果为边界,用FIRE软件模拟了定容喷雾并对其数值模型进行了标定,进而以一2.0 L涡轮增压缸内直喷汽油机为研究对象,分析了喷油时刻对缸内混合气形成的影响。结果显示,在5 000 r/min全负荷工况下,喷油时刻为400℃A时形成的混合气更能满足燃烧和发动机性能的要求。     

缸内直喷(GDI)汽油机燃油喷雾和分层燃烧的数值研究

应用修正的多维流体力学计算程序KIVA-3V对缸内直喷(GDI)汽油机燃油喷雾和混合气分层燃烧过程进行了数值模拟。修正的子模型包括改进的燃油薄膜雾化模型、油滴破碎模型、油滴分布模型、初始缸内气体滚流模型、油滴蒸发模型以及燃烧模型。针对一种典型的三菱缸内直喷汽油机燃烧室结构在部分负荷工况下的燃油喷雾和分层燃烧进行了数值模拟。分析了不同的喷油器位置,缸内逆向滚流强度以及喷油时刻对火花塞附近混合气浓度的影响。计算结果表明,这些参数对燃油分层模式,点火过程以及燃烧特性都有显著影响,不适合的参数将导致火花塞间隙附近燃油空气混合气过稀或过浓从而使燃烧恶化。对缸内直喷汽油机部分负荷工况而言,燃烧室构形、缸内气体流动组织以及喷油时刻的优化设计对实现成功的分层燃烧起着重要作用。     

过渡闪沸喷雾对缸内直喷汽油机性能影响研究

利用CONVERGE软件仿真分析了缸内直喷汽油机中速大负荷工况下过渡闪沸喷雾对整机性能的影响规律,对比分析了过渡闪沸喷雾状态和冷态喷雾状态下汽油机的缸内混合气形成、燃烧及排放特性。结果表明：随着燃料温度升高,燃油喷雾液滴粒径减小,喷雾破碎和雾化速度加快,当燃料温度达到380 K时,喷雾在速燃期之前索特平均粒径已降低至0 mm附近。过渡闪沸状态下,发动机缸内平均温度、缸压峰值和放热率峰值均高于冷态喷雾状态。燃料温度为380 K时与360 K时缸压峰值相差不大。过渡闪沸状态下发动机的soot排放低于冷态喷雾,且NO_x排放较高,燃料温度为380 K时相对于360 K时soot排放下降了80%以上,而NO_x排放仅上升8%。在低温冷态喷雾下,燃料温度的提高对发动机缸内混合气形成、缸内燃烧状态以及soot排放生成均有显著影响。过渡闪沸喷雾状态下,缸内气流运动对于缸内混合气形成的影响效果相比于喷雾破碎程度的影响效果更为显著。过渡闪沸喷雾状态下继续提高燃料温度对于发动机混合气形成、燃烧状态和发动机排放改善效果逐渐减弱。     

喷油时刻对缸内直喷汽油机颗粒物排放的影响

缸内直喷汽油机因其良好的节能性能,近几年来成为车用汽油机研究的重点,但也带来了颗粒物排放的问题.针对一款缸内直喷发动机,采用CFD数值模拟和发动机台架试验相结合的方法,研究了不同的喷射时刻对直喷汽油机混合气形成和颗粒物排放的影响.结果表明:缸内直喷汽油喷雾碰壁形成油膜与颗粒物排放有着直接的关系;在小负荷和中等负荷工况下,喷射时刻的优化能够有效地降低颗粒物数量排放.对于典型进气侧置喷油器缸内直喷汽油机,中小负荷工况优化的喷油策略为喷射时刻在进气冲程中期(约270,°,CA BTDC).     

涡轮增压直喷汽油机缸内流场、混合气形成和燃烧数值模拟及试验

建立了发动机3D模型,在发动机进气道上采用了一个滚流控制阀片,以控制发动机气流运动。通过计算流体力学(CFD)软件计算缸内流场随曲轴转角的演变和发展过程,评估了缸内的滚流运动和湍动能。模拟了在当量空燃比条件下缸内混合气的浓度场分布,分析了缸内燃烧过程。研究结果表明:采用滚流控制阀在2 000r/min、0.2MPa和1 750r/min全负荷工况下能够有效提升缸内滚流比,并且在压缩行程末期增强了湍动能,有助于提升燃烧速率,改善燃烧。通过设计特殊形式的活塞顶面,对喷雾进行引导,避免了燃油喷雾直接碰撞在缸壁。燃烧模拟的缸内压力曲线与实际发动机台架测试的结果吻合性较好。     

增压直喷汽油机部分负荷燃烧特性及影响因素研究

研究了一台小型增压直喷汽油机部分负荷燃烧特性,并且与一台较大排量的增压直喷发动机进行了对比分析,总结了燃烧规律和影响因素。研究结果表明点火正时、喷油正时对燃烧有显著影响;对于一定工况,存在唯一的最优燃烧相位,使有效燃油油耗率达到最低值;冷却能力是影响最佳燃烧相位的主要因素。     

汽油机缸内直喷喷嘴结构参数对雾化特性的影响研究

为了改进缸内直喷汽油机用电磁涡旋式喷嘴的喷雾特性,对喷嘴孔径、螺线管电阻和涡旋片等结构参数进行了优化设计,并在喷雾试验台上对燃油质量流量、喷雾发展过程、喷雾锥角、喷雾贯穿距、针阀延迟和喷雾粒径分布进行了试验验证。结果表明:优化设计后的喷嘴的质量流率大于原商用喷嘴的质量流率,而质量流率的线性度接近原商用喷嘴。在相同喷射时间5ms及喷油压力9.5MPa下,当喷嘴孔径由0.55mm增大为0.70mm时,喷雾发展过程较为快速,燃油流量增加约56%,喷雾锥角增加10°,但喷雾不稳定性也随之提高,雾化粒径增大。不同喷油压力下的喷雾锥角变化较大,靠近喷嘴的喷雾轮廓与孔口设计有关。喷油压力增大时,其质量流率会随之增大,雾化粒径分布在10μm～20μm范围内的喷雾液滴体积分数也会随之上升,从而提高雾化程度。     

稀释燃烧对高压缩比直喷汽油机性能的影响

为探究稀释燃烧改善发动机性能的潜力,通过一台1.5 L高压缩比增压直喷汽油机开展台架试验,对比研究了空气稀释、废气再循环(EGR)稀释及复合稀释燃烧在不同稀释程度下对中速、中负荷工况下发动机性能的影响规律．结果表明：稀释燃烧延长了燃烧持续期,降低了有效燃油消耗率(BSFC),减少了发动机传热损失,并降低了CO排放,稀释方式不同会导致HC和NO_x排放随稀释率的变化规律不同,但在高稀释率下,相比无稀释燃烧,HC排放升高,NO_x排放降低;相较于EGR,空气稀释对燃烧的抑制更弱,稀释边界更宽,BSFC降低效果更好,CO与HC排放显著更低,未燃损失更低,NO_x排放更高,且这些规律在相同稀释率、不同EGR占比的复合稀释燃烧的性能参数变化中同样存在,但有效热效率在过量空气系数φa=1.34、EGR率约为5%(稀释率为1.4)时达到最高,这与排气损失更低有关,此时相较原机,BSFC降低了5.7%,NO_x降低了33%,均比φa为1.40时的降幅更大,证明了复合稀释燃烧具备更强的节能减排潜力．     

缸内直喷汽油机工作过程三维数值模拟

用三维CFD数值模拟软件对一台均质充量缸内直喷汽油机全负荷工况时的进气、压缩和混合气形成过程进行了三维瞬态数值模拟.分析了进气道内及气缸内的工质运动状态,研究了缸内滚流的形成和发展历程及其对混合气形成的影响,探讨了两种喷油定时所对应的燃油喷雾、混合气形成过程.结果显示,在现有条件下喷油开始时刻为420°CA所对应的点火...     

直喷汽油机中空锥形燃油喷雾的雾化和蒸发模型

高压旋流中空燃油喷雾日益广泛地应用于缸内直喷(GDI)汽油机中，为此发展了一种适合于模拟这种燃油喷雾雾化过程的薄膜喷雾模型．燃油薄膜的破碎过程采用表面波破碎理论来模拟．对Spalding蒸发模型和油滴阻力模型进行了改进，用来计算油滴的蒸发和阻力变形过程，同时引入初始喷雾液团的计算模块．在多维内燃机计算程序KIVA3的基础上建立了改进的数值计算模型，并对不同喷射条件下的定容压力容器中空旋流燃油喷雾过程进行了数值计算，对计算和实验所得的喷雾特性包括油束外形结构，油束喷雾贯穿度和油滴粒径进行了详细的比较，同时对单液滴的蒸发过程也进行了数值计算，油束模型的计算结果与实验结果吻合良好。     

汽油机缸内直喷的研究现状与发展

本文介绍了汽油机缸内直喷的一些优点，并从燃油供给系统、喷油器、喷雾模式、燃烧系统等方面介绍了GDI发动机的研究状况。阐述了GDI发动机开发中的一些难点，并指出GDI技术将得到更大的发展。     

废气再循环率对高压缩比增压直喷汽油机燃烧与排放特性的影响

以一台采用废气再循环（exhaust gas recirculation,EGR）技术的增压直喷汽油机为研究样机,试验研究了高压缩比15.0时不同EGR率（0%、5%、10%、15%）下该机的燃烧和排放特性。研究结果表明,与常规的压缩比11.5相比,采用高压缩比15.0时,该机缸内最高燃烧压力升高,点火正时提前,燃烧持续期延长,平均指示压力变动系数增大,有效热效率显著提高;碳氢化合物（hydrocarbon,HC）排放和颗粒物数量增加,CO排放和颗粒物质量降低,NO_x排放略有升高。采用EGR技术能够有效抑制爆震和降低NO_x排放。相同工况下,随着EGR率升高,该机的燃烧持续期延长,平均指示压力变动系数增大,低负荷(制动平均有效压力（brake mean effective pressure,BMEP）为0.5 MPa)下的缸内最高燃烧压力逐渐下降,有效热效率变化不大。高负荷（BMEP为1.0 MPa）下的缸内最高燃烧压力先上升后下降,有效热效率整体呈上升趋势,高压缩比情况下该机EGR率为10%时的热效率最高,为38.45%;CO排放先减小后增加...     

二冲程汽油机缸内直喷分层充气的多维数值模拟

为揭示二冲程汽油机缸内直喷分层充气的特点,本文对低负荷工况下直喷二冲程汽油机缸内流场进行了多维数值模拟。结果表明,喷油时刻以及喷油方向对缸内混合气的分层状况有很大影响。     

直喷汽油机缸内喷雾湿壁问题研究

直喷汽油机的湿壁问题会导致机油稀释,燃油经济性下降及尾气排放增加。但通过喷雾、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。利用激光诊断技术对某直喷喷油器的喷雾特性进行全面测试,然后标定三维CFD软件中的喷雾模型,对缸内喷雾和混合气形成过程进行仿真计算,并研究了燃油喷射策略对燃油湿壁的影响。研究结果表明:采用两段喷射策略可以降低15%的碰壁量,混合气均匀程度基本不变;采用三段喷射可以降低27%的碰壁量,并可明显改善混合气浓度分布。     

空气辅助直喷汽油机缸内喷雾特性的试验

为了解直喷汽油机缸内气流运动对喷雾特性的影响,利用定容弹及缸筒全透明式光学发动机进行了相关试验,并利用三维计算流体力学软件模拟了缸内的气流运动情况,分析了缸内气流运动、燃油喷射时刻及发动机转速等对空气辅助直喷喷嘴喷雾特性的影响.结果表明:进气气流对喷雾场有明显的吹偏作用,其作用通过引入喷雾半锥角及喷雾锥角偏移度的概念来反映;随着燃油喷射时刻推迟,进气气流对喷雾场的吹偏作用逐渐减弱,喷雾锥角偏移度随之减小,而喷雾的贯穿距离不断增大;进气气流的流速随着发动机转速的下降而降低,其对喷雾场的影响也随之减弱,喷雾锥角、喷雾半锥角及喷雾锥角偏移度均随之减小,但喷雾贯穿距离的变化并不显著.     

活塞凹坑深度对直喷汽油机燃烧影响的数值模拟

基于活塞顶部带有凹坑的燃烧室模型,通过三维CFD软件AVL-FIRE进行数值模拟,分析了4种凹坑深度(2.3,mm、3.8,mm、5.3,mm、6.8,mm)对直喷汽油机燃烧过程和排放性能的影响.计算结果表明:在所建立的4种模型中,凹坑深度为2.3,mm和3.8,mm的两个燃烧室内压力和温度的峰值较高,动力性能较好;凹坑深度为3.8,mm的燃烧室CO排放、油膜质量最少,排放性能最佳,凹坑过深和过浅都会增加其排放;由于高温高压,凹坑深度为3.8,mm的燃烧室NO生成量最多,但4种模型排气门打开时刻相差不大.     

缸内直喷汽油机直接起动的燃烧和排放特性

分析了不同起动位置下缸内直喷汽油机直接起动过程中起动缸的燃烧和排放性能,采用快速HC采集仪对起动缸缸内以及排气中的 HC 进行测量,研究起动缸缸内混合气浓度和排放性能,通过缸压和运动规律的研究确定优化后的喷射量和起动位置．研究结果表明,喷油量同缸内实际当量比呈线性关系,起动缸容积越小,喷射燃油的加浓比例越大．在保证着火可靠性不出现失火现象的前提下,增大燃油喷射量,使得起动缸内燃烧变差,HC 排放量增加;增大起动缸的容积,则起动性能及排放均有所改善,较为优化的起动缸位置为压缩上止点前70°～80°,CA.