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可变气门驱动直喷汽油机缸内气流运动及燃油雾化混合的试验研究

作　者: 张东明
导　师: 王天友
学　校: 天津大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 直喷汽油机 PIV 气流运动特性燃油雾化及混合可变气门升程
分类号: TK417
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 135次
引　用: 3次
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内容摘要

为了使用三效催化转换器降低排放,目前量产的直喷汽油机主要采用当量比燃烧模式,此时汽油直喷系统仍采用节气门控制负荷,泵吸损失依然存在,所以与气道喷射汽油机相比,该种汽油直喷系统的燃油经济性并没有显著提高。最近几年,可变气门驱动机构(VVA)技术的发展,使得泵吸损失明显减小成为可能,如果将其应用于当量比燃烧的直喷汽油机上,既可消除泵吸损失,降低发动机燃油消耗率,同时又可发挥直喷汽油机动力性等其它优势。由于机械式可变气门驱动机构的气门升程和正时是联动的,这必将使得发动机缸内流场明显不同,特别在低气门升程下,产生的高速气流对直喷汽油机的燃油雾化和混合产生直接影响。设计改造了一光学汽油直喷发动机,试验中光学发动机由电机拖动,转速为960r/min,采用粒子图像测速(PIV)技术,使用最大升程分别为6.8mm、2.5mm、2.0mm和1.7mm的四种进气凸轮轴,研究了不同气门升程下缸内气体流动特性以及其对燃油雾化和混合的影响。试验结果表明,直喷汽油机进气初期缸内呈现逆滚流,之后逆向滚流不能得以保持,缸内逐渐形成双涡结构;压缩冲程,进气门侧滚流不断受到挤压而衰减,速度场中可观测到一顺时针滚流形成的趋势。随着气门升程降低缸内平均速度减小,四种气门升程下滚流比差异不大。缸内涡流在进气冲程呈现出双涡流特征,并在压缩冲程演变为大尺度涡流。随着气门升程降低,涡流运动逐渐加强,小气门升程下涡流比增大明显,压缩冲程末期气门升程为1.7mm时的涡流比是6.8mm时的3倍。低通滤波分析发现湍流强度和湍动能随曲轴转角变化的趋势类似,都是在进气冲程随着曲轴转角增大而减小,在压缩冲程反而有逐渐增加的趋势。滚流测量面上,最大气门升程为6.8mm时的湍动能和湍流强度随曲轴转角变化不明显。气门升程为2.0 mm时变化最为突出,湍流强度的最大差值为3.3 m/s,湍动能最大差值为9 m2/s2。压缩冲程末期6.8mm升程的湍流强度和湍动能最大,分别为2.5 m/s和3.1 m2/s2,分别是1.7mm升程工况的1.7倍和3倍。涡流测量面上,四种气门升程下,在进气冲程湍流强度和湍动能的变化趋势非常相似;压缩冲程,随着气门升程的降低湍流强度和湍动能都增大。1.7mm升程的湍动能和湍流强度是6.8mm升程的2倍左右。均匀混合直喷汽油机在进气冲程早期喷射燃油有更充裕的时间和空气混合,高的喷油压力使液滴粒径更小,贯穿距更短,燃油雾化混合更为彻底。燃油液滴和空气混合过程中的相互影响使缸内形成了正向大尺度滚流运动,增大了燃油和空气的接触面积;随着最大气门升程的降低,燃油雾化混合更为充分和迅速。分析其成因,主要是由于单一方向滚流的形成和小气门升程下强的涡流运动和湍流强度使燃油雾化混合更加彻底。

全文目录

中文摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-16
  1.1 引言  9-11
  1.2 直喷汽油机研究现状  11-12
  1.3 可变气门驱动技术研究现状  12-13
  1.4 内燃机缸内空气运动的作用  13-14
  1.5 内燃机缸内空气运动的研究方法  14-15
  1.6 内燃机缸内喷雾的研究方法  15
  1.7 本课题研究内容及意义  15-16
第二章试验系统的建立  16-30
  2.1 粒子图像测速（PIV）系统  16-19
    2.1.1 粒子图像测速(PIV)原理  16-17
    2.1.2 粒子图像测速（PIV）系统组成  17-19
  2.2 光学发动机  19-22
    2.2.1 发动机可视化改造和优化  20-22
    2.2.2 可变气门升程的实现  22
  2.3 燃油供给系统  22-23
  2.4 喷油器  23-24
    2.4.1 喷油器类型  23
    2.4.2 喷油器布置  23-24
  2.5 喷油系统与PIV 系统同步电控系统设计  24-28
    2.5.1 硬件设计  24-26
    2.5.2 软件设计  26-28
  2.6 本章小结  28-30
第三章不同气门升程下缸内气流运动  30-55
  3.1 内燃机缸内气流运动特性参数  30-32
    3.1.1 集总平均速度  30
    3.1.2 低通滤波、湍流强度和湍动能  30-31
    3.1.3 滚流比和涡流比  31-32
  3.2 不同气门升程对缸内滚流的影响  32-42
    3.2.1 不同气门升程下缸内滚流平均速度场分析  32-36
    3.2.2 平均速度和滚流比随曲轴转角变化规律  36-38
    3.2.3 不同气门升程下滚流测量面的湍流特性分析  38-42
  3.3 不同气门升程对缸内涡流的影响  42-54
    3.3.1 不同气门升程下缸内涡流平均速度场分析  42-47
    3.3.2 平均速度和涡流比随曲轴转角变化规律  47-48
    3.3.3 不同气门升程下涡流测量面的湍流特性  48-54
  3.4 本章小结  54-55
第四章不同气门升程下缸内气流运动对燃油雾化混合的影响  55-71
  4.1 进气量和喷油量的测量  55-56
    4.1.1 不同气门升程下的进气量  55
    4.1.2 不同喷油持续期和喷油压力下的喷油量  55-56
    4.1.3 不同气门升程下化学计量空燃比时的喷油量  56
  4.2 喷油正时对燃油雾化和混合的影响  56-59
    4.2.1 进气冲程早期喷射喷油压力对燃油雾化混合的影响  57-58
    4.2.2 进气冲程末期期喷射喷油压力对燃油雾化混合的影响  58-59
  4.3 不同气门升程下缸内气流运动对燃油雾化和混合的影响  59-69
    4.3.1 缸内涡流对燃油雾化混合的影响  59-65
    4.3.2 缸内滚流对燃油雾化混合的影响  65-69
  4.4 本章小结  69-71
第五章结论与展望  71-74
  5.1 结论  71-72
  5.2 展望  72-74
参考文献  74-78
发表论文和科研情况说明  78-79
致谢  79

可变气门驱动直喷汽油机缸内气流运动及燃油雾化混合的试验研究

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