（动力机械及工程专业论文）具有进气涡流的汽油机进气流场模拟分析及开发研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 ；农用运输车作为我国农村的主要运输工具已经相当普及，近几年我国农用 车的年产量已达数百万台且每年仍以较大幅度增加。作为农用车，其主要动力 是柴油机，但柴油机的振动、噪声及碳烟颗粒排放均非常严重。如能改用汽油 燃料则相对柴油机而言可有下列优点：改善冷起动性能：改善驾驶员的驾驶 舒适性及操纵性；提高排放品质；较强的排放后处理适应性。因此，中小功率 柴油机改用汽油燃料后与柴油机相比具有许多柴油机不可比拟的优点，在此领 域的探索如能成功将是一举多得的成果。： 本文利用数值模拟和实验相结合开发了一种适用于农用车的汽油机。研究 中首次将直喷式柴油机的螺旋进气道及活塞顶部沉坑形燃烧室应用于化油器 式汽油机，将进、排气管置于发动机的两侧，从而避免了传统化油器式汽油机 加热进气而减少了进气充量以致于影响发动机最大功率的发挥；同时由于进气 温度的降低减小了发动机的爆燃倾向。l 利用a v l 公司2 0 0 1 年推出的f i r e 软件 对发动机螺旋进气道及缸内的流场进行了三维气体流动数值模拟，模拟结果给 出了气道及气缸内三维流场的适量分布图，结合流场的适量分布图分析了进气 涡流对汽油雾化混合和燃烧过程的影响。流场模拟结果及分析表明：因为螺旋 进气道的曲率较大，混合气流动时方向变化较大，采用螺旋进气道后会有大部 分燃料微粒附着于进气道壁面上，故而进入气缸的燃料微粒就会大大减少，使 h c 排放降低：螺旋进气道所产生的缸内气流运动促进了燃料的雾化混合，并增 加了燃烧时的火焰传播速度，使燃烧更加完全。，一 为满足汽油机的排放性需要，本文设计了稀薄燃烧系统。f 设计开发了能够 点燃稀混合气的高能电子点火系统，该系统采用电子开关电路实现点火角度的 自动调整，可随转速变化而自动改变点火时刻，所提供的点火电压为4 万伏左 右。： 一 ， f 本文记录了1 9 2 型汽油机的台架性能试验结果及分析。分析了该汽油机的 动力性、经济性和排放性，对影响该发动机油耗率、h c 排放、n o 排放和c o 排 放指标的结构及运行参数做了详尽的分析。模拟分析和实验结果表明：实测结 果与预测结果具有较好的一致性，说明利用数值模拟可以用于指导燃烧系统设 计；所开发的无触点点火系统价位低且可靠实用，可随转速变化而自动改变点 山东大学硕士学位论文 火时刻的点火系统。使发动机在整个转速范围内获得但足嗣i 葡月e 息火追j 刖 点火时刻，可节省燃油并能满足发动机废气排放要求；将进、排气管置于发动 机两侧后由于进气温度较低抑制了爆震的发生，使汽油机可以使用较高的压缩 比并采用稀燃混合气，可以取得良好的经济性和理想的排放性。、 关键词：汽油机、螺旋进气道、排放、流场模拟 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t f a r mt r u c k sa r ew i d e l y u s e da st h em a i nt r a n s p o r tt o o l s i nt h e c o u n t r v 。fc h in a t h ea n n u a lo u t p u to ff a r mt r u c k sh a sr e a c h e ds e v e r a l m i i i i o n si nr e c e n ty e a r s 。a n dt h en u m b e ri ss t i l li n c r e a s i n gw i t hg r e a t e x t e n ty e a rb yy e a r d i e s e le n g i n eis t h em a i np o w e ro ff a r mt r u c k s ， b u t t h ev i b r a t i o n ，n o i s ea n dp a r t i c u l a t ee m is s i o n so fd i e s e l e n g i n e a r e v e r y s e r i o u s i fd i e s e le n g i n e c a nb e r e p l a c e db y g a s o l i n ee n g i n e ，t h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s c a r lb eg o t ：i m p r o v e d c o l d - s t a r t p e r f o r m a n c e ，i m p r o v e dc o m f o r t a b i l i t y a n d y a r a g e ， i m p r o v e de m i s s i o nq u a l i t ya n dg o o da d a p t a b i 1i t yo fp o s t t r e a t m e n t t h e r e f o r e ，i tw i l lb eb e n e f i c i a lt ot h ee n v i r o n m e n ti fs m a l lp o w e r d i e s e l e n g i n e is c h a n g e di n t og a s o l i n ee n g i n e i f t h ee x p l o r i n g c a nb es u c c e e d e d ，j ta ls ok i l is t w ob i r d sw i t ho n es t o n e t h er e s e a r c hd e v e l o p s ak i n do f g a s o l i n e e n g i n eb yu s i n g t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt e s t i ti st h ef i r s tt i m et oa p p l yas w i r l i n d u c t p o r ta n dad e e pc a v ec o m b u s t i o nc h a m b e r i np i s t o nh e a dt ot h e c a r b u r e t o rg a s o l i n ee n g i n e t h ei n t a k ea n de x h a u s tp i p e sa r ea r r a n g e d i ns i d e so ft h e e n g i n e ， w h i c hc a na v o i dt h ed i s a d v a n t a g e so ft h e t r a d i t l e n a lg a s o l i n ee n g i n e s a st h ec h a r g ei sh e a t e d ，t h ei n t a k ec h a r g e w i l lb er e d u c e da n dt h eh i g h e s tp o w e rw i l lb ea f f e c t e di nt r a d i t i o n a l g a s o l i n ee n g i n e s i ft h ei n t a k ec h a r g ei sc o o l e d ，t h ek n o c k i n gt r e n d o ft h ee n g i n ew i l lb er e d u c e d i nt h i s p a p e rt h e t h r e e d i m e n s i o n a i h u m e r i c a f l o w 。f i e l do ft h es w i r li n i n d u c t p o r t a n d c y l i n d e ri s s i m u l a t e db yu s i n gt h ef i r es o f t w a r ei s s u e db ya v lc o m p a n yi n2 0 0 1 t h e s i m u l a t i o nr e s u l t s g i v e t h et h r e e d i m e n s i o n a f l o wv e c t o r f i g u r e s i n s i d et h ei n d u c t p o r ta n dc y l i n d e r ，b yw h i c ht h ee f f e c to fi n t a k es w i r l o nt h ee v a p o r a t i o na n dc o m b u s t i o ni sa n a l y z e d t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t sa n dt h ec o r r e s p o n d i n ga n a l y s i si n d i c a t et h a t ：t h ef l o wd i r e c t i o n o fm i x e dg a sc h a n g e sr a p i d l yb e c a u s et h ec u r v a t u r eo fs w i r li n d u c t p o r t v 山东大学硕士学位论文 i sb i g g e r t h ef u e lp a r t i c u l a t e st h a te n t e ri n t ot h ec y l i n d e r a r el i m i t e d b e c a u s em a j o rp a r t i c u l a t e sw i l la d h e r et ot h ei n d u c t p i p e sw a l l ，w h i c h m a k e st h eh ce m i s s i o n sd e c r e a s e d t h es t r o n ga i r f l o wi nt h ec y l i n d e r c a u s e db yt h es w i r li n d u c t p o r ti m p r o v e st h ep u l v e r i z a t i o na n dm i xo f f u e l a tt h es a m et i m et h ef r o n tf l a m es p r e a da tah i g h e rs p e e d ，w h i c b m a k e st h ec o m b u s t i o nm o r ec o m p l e r e l e a nc o m b u s t i o ns y s t e mi sd e s i g n e di no r d e rt om e e tt h en e e d so f t h ee m i s s i o nr e q u i r e m e n t s h i g h e n e r g ye l e c t r i ci g n i t i o ns y s t e mi sa l s o d e v e l o p e d t o i g n i t e l e a nm i x e d g a s t h e i g n i t i o ns y s t e ma d o p t s e l e c t r o n i es w i t c ht oa d j u s tt h ej g n i t i o nt i m i n ga u t o m a t i c a l l y ，s o i g n i t i o nt i m i n gc a nb ec h a n g e dw i t ht h ev a r i a t i o no fr o t a t i o ns p e e d ， a n dt h e i g n i t i o nv o l t a g ec a nr e a c ha b o u t4 0 ，0 0 0 v o l t t h i sp a p e rs h o w st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n da n a l y s i so fa1 9 2 g a s o l i n ee n g i n e t h ep o w e rp e r f o r m a n c e ，e c o n o m y a n de m i s s i o n sa r e a n a l y z e d ，a n dt h es t r u c t u r ea n dr u n n i n gp a r a m e t e r st h a tc a ni n f l u e n c e t h ef u e lc o n s u m p t i o nr a t e ，h ce m i s s i o n s ，n oe m i s s i o n sa n dc oe m i s s i o n s a r e a n a l y z e d i nd e t a i l t h en u m e r i c a s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t si n d i c a t et h a t ：t h ee x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t e dr e s u lt sa r ei n g o o da g r e e m e n t ，w h i c hi n d i c a t e st h a tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a nb eu s e d t od i r e c tt h e d e s i g n o fc o m b u s t i o ns y s t e m t h ee l e c t r o n i c i g n i t i o n s y s t e mi se c o n o m i c a la n dr e l i a b l e ，a n de a s yt or e a l i z et h ea u t o m a t i c a d j u s t m e n to ft h ei g n i t i o nt i m i n ga t d i f f e r e n tr o t a t i o n s p e e d t h e i g n i t i o ns y s t e mp r o v i d e st h ec o n s t a n th i g he n e r g ya n dp r o p e ri g n i t i o n t i m i n g ，w h i c hc a ns a v et h ef u e la n dm e e tt h ee x h a u s te m i s s i o ns t a n d a r d t h ek n o c k i n gt r e n di sr e s t r i c t e db e c a u s et h e t e m p e r a t u r eo f i n t a k e c h a r g ei sl o w e rw h e nt h ei n t a k ea n de x h a u s tp i p e sa r ea r r a n g e da tt w o s i d e so ft h ee n g i n e t h eg a s o l i n ee n g i n ec a nu s eh i g hc o m p r e s s i o nr a t i o a n dl e a nm i x e dg a s ，t h u si d e a le c o n o m ya n dl o we m i s s i o n s c a nb er e a l i z e d k e yw o r d s ：g a s o l i n ee n g i n es w i r l i n d u c t p o r t e m i s s i o n s f l o w f i e l ds i m u l a t i o n v i 山东大学硕士学位论文 主要符号表 流体压力，p a 定压比热，j ( k g k ) 湍流动能，k j m 3 湍流动能耗散率，k j s 粘性应力张力，n m 湍流粘性系数 层流粘性系数 气体常数，k j ( k g k ) 活化能，k j 热力学温度，k 未燃气体的卷入质量，k g 火焰前锋面积，m 2 卷入速度，m s 紊流火焰速度，m s 层流火焰速度，m s 已燃气体质量，k g 泰勒微尺度 电流，a 电压，v 过量空气系数 功率，k w 扭矩，n m 油耗率，g ( k w - h ) 排温， 转速，r m i n 平均有效压力，k p a v p ， 虬。=f， 皿以配s s腮m 口批肛 毋疗只 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 本课题以理论分析和实验相结合，首次提出了将螺旋进气道及活塞顶部沉 坑形燃烧室同时应用于汽油机的新燃烧系统概念，并围绕这一课题进行了大量 的计算及实验。利用a v l 公司2 0 0 1 年推出的f i r e 软件对进气道及缸内流场的 三维流动全貌做了详细的计算及分析，从理论上分析了这种燃烧系统对各种排 放物的影响；设计并开发了适用于本发动机的无触点高能点火系统；在理论计 算的基础上进行了大量的台架试验。实验表明本燃烧系统在经济性及排放性方 面达到了较为理想的效果，具有广阔的市场发展前景。 1 1 排放控制的意义及新型燃烧系统研究的提出 人类社会发展到今天，生产力高度发展，创造了高度的物质文明，但同时 也带来了一系列诸如人口、粮食、能源、资源和环境等严重的社会问题。环境 是人类赖以生存的基本条件，是社会得以持续发展的物质基础。人类从环境中 获取物质和能量，创造了人类需要的物质和财富，同时也将污染物还给自然， 造成了环境的污染和生态系统的破坏。目前全球环境问题主要表现为森林植被 破坏，水土流失严重，沙漠化扩大，大气污染日益严重，温室效应加剧，大气 臭氧层破坏，水污染加剧，自然灾害频繁发生，从而使生态平衡遭受严重破坏， 长此下去将使自然界失去供给人类生存的能力。 在诸多的环境闯题中，大气污染是人类所面临的严重问题之。大气是人 类生存所不可缺少的最基本的条件，但人类活动和自然过程所产生的某些物质 进入大气中，使大气固有的正常成分中增加了薪的有害成分，这些有害成分在 一定的时间内积累到足够的浓度，就会对人类、动植物及环境造成危害。例如 1 9 5 2 年伦敦上空受强冷空气控制，形成逆温层，连续四天大雾笼罩，二氧化硫 ( s 晚) 浓度高达3 5 m g m 3 ，颗粒物质高达4 5m g m 3 ，成千上万市民胸部憋闷， 咳嗽呕吐，心血管、呼吸系统疾病的发病率迅速上升，四天内死亡4 0 0 0 多人， 造成震惊世界的“伦敦硫酸烟雾事件”。1 9 5 5 年洛杉矶的“光化学烟雾事件”， 就是由于汽车排放造成大气中臭氧严重超标，导致大片森林死亡，呼吸系统疾 病发病率迅速上升。这些典型的大气污染事件表明，大气污染与人类对能源的 利用有着密切的关系。 以石油产品为燃料的内燃机已有一百多年的历史，发展至今已成为一种相 1 山东大学硕士学位论文 当完善的动力机械。然而，内燃机在方便人们出行及运输的同时却带来了一系 列的能源及环境问题。据统计表明：汽车是最主要的大气污染源之一。表卜l 是美国1 9 7 1 年大气污染物来源分类统计“j 。由表中数据可以看出，大气污染与 能源利用、工业和交通运输业的发展密切相关。而城市大气中一氧化碳的 7 7 3 、碳氢化合物的5 5 3 、氮氧化物的5 0 9 、悬浮微粒的3 7 来自汽车排 放。图1 1 为1 9 9 2 年北京汽车污染物分担率，由图可知，在氧化碳、碳氢 化合物和氮氧化物中分别约有6 1 、7 1 和2 1 来自汽车。这说明，一氧化碳、 碳氢化合物、氮氧化物的主要污染源是汽车。 表卜l1 9 7 1 年美国大气污染物的排放量与比例( 重量以百万吨计) 害物质 悬浮微粒s o 。 n o xc oh c 总量 重量 重量 重量 重量 重量重量 排放源 燃料燃烧 6 52 4 12 6 38 0 7l o 24 6 41 o1 00 31 14 4 3 2 1 3 工业生产1 3 65 04 5 1 1 560 2 0 9 1 141 1 45 62 1 03 591 7 2 交通运输 l03 7103 11 1 25 0 9 7 7 57 751 4 75 5 31 0 5 45 0 6 固体物处理0 72 6 01 o 3o 20 93 83 81 o3 85 82 8 其它 5 21 9 20 1 0 3 0 20 9 6 56 5 5 o1 & 81 7 ，0 8 1 总计 2 7 o】0 00 2 61 0 d2 2ol o o1 0 0 21 0 02 6 81 0 02 0 8 4】d 0 蚓1 11 9 9 2 年北京币汽车污染物分担翠 可见汽车在提高社会的生产效率，改进人们生活质量的同时也消耗了大量 的能源，加剧了能源的危机。发动机燃烧后排出的废气严重污染了大气环境， 尤其是在人口稠密、交通发达的大城市。据联合国统计，在全世界污染最严重 山东大学硕士学位论文 的2 0 个城市中，中国占l o 个，所以我国汽车尾气排放污染控制情况不容乐观。 而目前我国的汽车工业正处于蓬勃发展之际。现在，中国汽车保有量约有1 5 0 0 万辆。2 1 世纪的前十年，中国的汽车工业将有较快的发展。根据预测2 0 0 0 2 0 1 0 年中国汽车保有量( 不包括其它机动车辆) 情况如下表卜2 所示 表1 2 中国汽车保有量预测表 汽车数量 2 0 0 0 焦2 0 0 5 生2 0 1 0 芷 汽车保有量，万辆 1 8 0 02 5 0 0 4 0 0 0 从上表可以看出，中国汽车保有量2 0 0 5 年比2 0 0 0 年将增长3 9 ，2 0 1 0 年 又将比2 0 0 5 年增长6 2 5 。因此，中国汽车工业发展的高潮将在2 0 0 5 2 0 1 0 年出现”。可以想象，在机动车辆如此之多的条件下，若不能有效控制其单车 排放，届时，汽车尾气污染将会更加恶化，并严重影响到人们的生活、学习和 工作。随着国民经济的发展和人们生活水平的提高，人们对自身的生活质量愈 加重视，对环境保护的呼声也越来越高。这就督促我们内燃机工作者找出切入 点，采取有力措施，以有效控制内燃机排放。 为了治理环境污染，各国根据环境的具体情况，制定了有关环境保护的法 律，根据这些法律，针对大气中各种有害物质污染大气的情况，制定大气污染 治理的目标，对各种排放源的排放提出控制要求，针对不同类型的机动车辆制 定不同的排放标准。各国根据本国的车辆行驶情况制定出各种典型的标准试验 工况，形成各种试验规范。汽车制造厂根据限值的目标要求，研制出各种治理 排放的技术措施。西方发达工业国家经过近3 0 年有计划的科学治理，汽车排 放已得到了严格的控制，汽车排放污染物的浓度已降到很低，目前正在向超低 污染、零污染发展。我国在排放控制领域的研究工作起步较晚，1 9 8 1 年才开始 制定汽车排放标准，1 9 8 3 年发布了g b 3 8 4 2 3 8 4 7 - - 8 3 国家标准，规定从1 9 8 4 年4 月1 日起正式实施。g b 3 8 4 2 3 8 4 7 8 3 分别为四冲程汽油机怠速污染物、 柴油车自由加速烟度、柴油车全负荷烟度排放标准。上述标准仅规定了单一、 简单工况的排放限值，并没有考虑汽车在道路上运行的复杂工况，也未控制n 嘎 的排放。汽车行业在分析美、日、欧三个汽车排放体系的基础上，经过调查研 究，在1 9 8 9 年公布了轻型汽车排气污染物排放标准和测试方法g b l l 6 4 1 1 1 6 4 2 8 9 。1 9 9 3 年国家环境保护局和国家技术监督局公布了新的汽车大气污染物排 放物标准9 系列，表卜3 为g b l 4 7 6 1 1 g b l 4 7 6 7 9 3 排放标准”1 ，由表中 3 山东大学硕士学位论文 数值可见国家对排放的限制日益严格。 由于起步较晚等原因，目前我国控制汽车排污的技术水平仅相当于国外七 十年代中期的水平，即使引进的轿车产品也大都是国外8 0 年代初、中期的水 平，单车排放量大，排放标准不严，平均污染物排放量比国外高出几倍、十几 倍、甚至几十倍，因而，目前我国大城市的大气污染已相当严重，例如北京n o 】( 浓度近年来一直呈上升趋势，已超过国家2 级标准2 倍以上，城市s 0 ，和悬浮 表1 - 3 汽车怠速污染物排放标准值( g b l 4 7 6 1 5 9 3 ) h c ( 1 0 。6 ) 弋 c o ( ) 四冲程二冲程 、车型 轻型车 重型轻型重型 轻型 重型 车别、 奎生奎 1 9 9 5 年7 月1 曰以前的定型汽车 3 54 09 0 01 2 0 06 5 0 07 0 0 0 1 9 9 5 年7 月1 日以前的新生产汽车4 0 45 1 0 0 01 5 0 07 0 0 07 8 0 0 1 9 9 5 年7 月1 日以前生产的在用汽车 4 5 5 0 1 2 0 0 2 0 0 08 0 0 09 0 0 0 1 9 9 5 年7 月1 曰起的定型汽车 3 o3 56 0 09 0 06 0 0 06 5 0 0 1 9 9 5 年7 月1 日起的新生生产汽车 3 54 0 7 0 01 0 0 06 5 0 07 0 0 0 1 9 9 5 年7 月1 日起生产的在用汽车 4 54 59 0 01 2 0 07 5 0 0 8 0 0 0 颗粒物( t s p ) 分别超标2 倍和1 8 倍，交通干线两侧及交通密集区c o 浓度严 重超标。臭氧o a 超标天数已从8 0 年代的4 0 天，发展到1 9 9 4 年的7 5 天，超标 趋势日趋严重。随着汽车排放的h c 、n o 。进一步增加，潜在着发生光化学烟 雾的危险。广州、上海等城市的n o 。浓度也严重超标，并且已发现光化学烟雾。 这些都表明，控制汽车排放，治理大城市污染已成为我国大城市刻不容缓的重 要任务。因此搞清车用汽油机排放物的形成、影响因素、危害并对其进行有效 控制已成为当前汽车业的重要攻关课题。“九五规划”中汽车工业是重点发展 产业，控制排污成为必须攻克的二十四项关键技术之一。我国已经加入w t 0 ， 以往对国内汽车工业的保护措施也将不复存在了，国外的各种汽车产品就会纷 纷拥入国内，抢占国内市场。为适应竞争的需要我国已于1 9 9 9 年制定了新的 汽车排放污染物限值及测试方法。因此我国的汽车工业任重而道远，它不仅要 保住已有的国内、国外市场，还要将其拓展到更大的范围。从这一方面来说， 对机动车排气污染物控制就将面临着极大的挑战，要求内燃机工作者提出新型 的低污染节能型燃烧系统。 4 山东大学硕士学位论文 1 2 汽油发动机排气污染的控制措施及其发展趋势 应控制的车用汽油机有害排放物主要有一氧化碳( c o ) 、氮氧化物( n o x ) 、 碳氢化合物( h c ) 。影响汽油机有害排放物的因素众多，与汽油机其它性能之 间的关系也比较复杂，需要采取既能降低多种排放又能改善其它性能指标的折 衷方案。汽油机废气净化的措施可分为两大类，第一类是通过设计合理的燃烧 系统以改善发动机的燃烧，使有害排放物在其产生过程中减少的措旃，习惯上 称为机内净化。第二类是诸如催化净化器、热反应器、二次空气系统等使发动 机排出的有害气体进一步降低的措施，称为机外净化。 其中常用的机外净化措施为催化净化系统，可归纳为4 类”1 ：1 、三元催化 净化装置，通过氧传感器把三元催化净化器入口的空燃比控制在理论空燃比附 近，使有害成分的三种成分( c o 、n o 、b e ) 同时减少；2 、催化氧化系统，使 进入催化器入口的空燃比保持为可氧化的条件，以减少c 0 及h c 的排放；3 、 还原催化系统，这种系统利用氧化铜、钌的金属氧化物及贵金属作为催化剂， 在较浓混合气时利用c o 、h c 将n o 还原为n ：、n h 。等；4 、吸藏还原催化系统， 主要用于稀薄混合气发动机氮氧化物的净化。 主要的机内净化措施分为以下三种：1 、废气再循环( e g r ) ，废气再循环 可有效控制n o 。排放。但由于它减少了进气充量中的含氧量，因此只宜在部分 负荷时采用，以使h c 排放量不致明显增加。要最大限度地减少n o ，排放量，又 不影响汽油机经济性和h c 排放，需要采取有效的调整装置来优化整个工作范 围内的废气再循环，电控技术是解决这一矛盾的有效手段。2 、为了进一步降 低排放，改善燃油经济性，汽油机电控技术得到了突飞猛进的发展。电控汽油 喷射系统可根据发动机的工况精确控制燃油量，使发动机在各种工况时都具有 理想的空燃比从而实现燃烧完全，并将废气中c o 、n o ；、h c 的含量控制在法规 规定的范围内。3 、稀燃与高压缩比，车用汽油机稀燃是指发动机在空燃比a f 大于理论空燃比情况下的燃烧，汽油机使用稀混合气，可以比较全面地降低有 害排放物，并且由于稀燃时燃烧室内的主要成份为0 ：和n ：，它们的比热较小， 多变指数k 较高，因而热效率较高，同时采用高压缩比可显著提高经济性。目 前稀燃高压缩比是降低汽油机排放、提高经济性的主要研究方向一、。在稀燃时， 为改善混合气质量而采取的措施主要有：实现分层燃烧：燃烧室设计合理紧凑， 尽量减少有害缝隙容积；改善火花塞结构及布置，采用高能点火系统，实现快 5 山东大学硕士学位论文 速燃烧等。4 、内燃机均质充量压缩燃烧( h o m o g e n e o u s c h a r g ei g n i t i o n c o m b u s t i 。n ，h c c i ) ，h c c i 作为一种新型的燃烧方式，是在二十世纪七十年代 后期提出并开始进行研究的。由于它在内燃机节能和降低排放的巨大潜力，9 0 年代后期引起了全世界内燃机界的高度关注，认为是满足未来严格排放法规的 重要技术手段，是内燃机燃烧技术的重大进步。h c c i 发动机结合了压燃式发动 机和点燃式发动机的优点，与传统点燃式发动机相比，h c c i 可以提高发动机的 热效率，因为它没有节流损失，可以提高发动机的压缩比，并且燃烧持续期短， 可以得到和压燃式发动机相当的高的热效率：与传统压燃式发动机相比，由于 是均质混合气压缩燃烧，燃烧反应几乎是同步进行，没有扩散燃烧，燃烧火焰 温度低，几乎没有微粒排放，同时n o x 排放也极低。由于h c c i 着火燃烧过程 是由化学动力学所控制，着火时刻的控制是h c c i 发动机需要解决的问题之一； h c c i 燃烧几乎是同步进行，发动机在大负荷工况过快的燃烧反应速度会引起爆 震燃烧，所以h c c i 发动机存在向大负荷扩展的问题。此外，对于高辛烷值燃 料，低负荷和怠速工况的着火稳定性也是需要解决的问题之一。针对上述问题， 各国的研究者进行了和正在进行大量的研究工作，就目前的研究成果而言采用 h c c i 发动机的功率只能达到发动机原有功率的4 0 5 0 ，且存在低负荷和怠速 工况着火不稳定性等问题，因此h c c i 距离实际应用还有较大差距”1 。 1 3 本课题研究的意义 农用运输车作为我国农村的主要运输工具已经相当普及，近几年我国农用 车的年产量已达数百万台，且每年仍以较大幅度增加。作为农用车，其主要动 力是柴油机。但柴油机的振动、噪声及碳烟颗粒排放均非常严重，以致于许多 城市均不允许柴油动力的车辆进入。如能改用汽油燃料则相对柴油机而言可有 下列优点： 1 改善冷起动性能：柴油机压缩比较大，涡流室式柴油机由于不采用空间 雾化技术并且热损失较大，故冬季难以起动。直喷式柴油机虽采用了空间雾化 技术但由于冬季气温低、机油粘度大、起动转速难以提高，导致压缩终了温度 低，所以冬季也难以起动。改用汽油燃料后，压缩比较小，起动阻力小、活塞 配缸间隙加大，摩擦阻力减小，从而起动容易，这对于北方用户尤为重要。 2 改善驾驶员的驾驶舒适性及操纵性：使用汽油燃料后，由于爆发压力的 降低，发动机的振动、噪声将明显降低，使驾乘人员免受振动、噪声之干扰， 6 山东大学硕士学位论文 驾乘更加舒适、更加安全；又由于汽油机使用转速范围较宽( 约在1 5 0 0 3 6 0 0 r p m ) 且汽油机本身具有较大的扭矩储备系数，其扭矩储备应达1 5 3 0 ( 单缸柴油机仅有7 左右) 。汽油机宽广的使用转速范围及较大的扭矩储备系 数特性使得操纵性得以改善。 3 提高排放品质：燃料性质的改变使得汽油机不会冒黑烟，从而彻底改变 人们对农用车“脏、乱、嗓”的看法。 4 较强的排放后处理适应性：汽油机排气后处理已有较为成熟的技术，面 对今后更加苛刻的排放要求还有进一步适应的可能。而柴油机目前尚无价位低 廉且实用的后处理技术。 5 结构、体积可得到进一步简化和缩小：除可去掉柴油机供油系统外，车 用机还可完全去掉调速系统。 6 延长发动机使用寿命：由于供油系统没有易损件( 柴油机高压油泵及喷 油器之偶件须定时更换) ，加之汽油机受力较小，故可大幅度延长其使用寿命 并降低使用成本。 7 有利于发动机与车辆的匹配：工作转速提高后发动机自激振频率提高， 同车辆的低频固有频率差另 j j n 大，不易发生共振，有利于发动机与车辆的匹配。 目前，国外经济发达国家的小型动力机械( 2 0 k w ) 多为汽油机，汽油机 的生产量约占该范围动力源的7 5 8 0 。而在国内除摩托车用发动枫外基本为 柴油机。小型动力机械的要求是比功率大，而柴油机的重量较大、比功率较小， 实际上是不适于作为小型动力机械的，尤其是在一些经常需要移动的场所。另 外，如果在此功率范围内全部都是柴油机也会使得燃料的分配比例失调。 综上所述，柴油机改用汽油燃料后与柴油机相比具有许多柴油机不可比拟 的优点。在此领域的探索如能成功将是举多得的。 1 4 本课题的主要工作 本课题综述了国内外汽油机排放水平的发展状况，首次将螺旋进气道及活 塞顶部沉坑形燃烧室应用于汽油机，提出了新的燃烧系统概念，并围绕这一课 题进行了大量的计算及实验。其主要工作如下： 1 设计新型的燃烧系统。传统的化油器汽油机工作理论认为，汽油燃料 应尽可能在进气管和气缸内充分雾化，使油气均匀混合以利于组织燃烧。因此 为使油气混合均匀，汽油机的进排气管安排在发动机同侧。这样的方案可以使 山东大学硕士学位论文 汽油机进气管从排气管获得热量，从而使汽油燃料雾化加速。而汽油机的燃烧 特性要求火焰前锋面的传播距离应尽可能小以减少爆震的倾向。加热进气的做 法本身就与避免爆震相矛盾，因为受到加热的混合气温度提高，会使末端混合 气在燃烧过程中温度超过自燃温度而发生爆震。加热进气的另一个缺点是降低 了充气效率而影响发动机最大功率的发挥。针对上述缺点，本研究首次将进气 道及活塞顶部沉坑形燃烧室应用于汽油机。螺旋迸气道所产生的强烈缸内气流 运动，可以使油气混合均匀，可以使缸内火焰前锋面借助高速旋转的气流快速 传播，而火焰前锋面在高速旋转的同时会产生大烈度的扭曲，这更加快了火焰 的传播，减少了爆震的倾向。应用螺旋进气道后会有大部分燃料微粒附着于迸 气道壁面上，因为螺旋进气道的曲率较大，混合气流动时方向变化较大，故而 进入气缸的燃料微粒就会大大减少。螺旋进气道所造成的气流旋转会使汽油微 粒在惯性力的作用下甩向气缸壁面，从而在壁面激冷作用下产生较多的h c 排 放。但活塞顶部沉坑形燃烧室会积存部分汽油微粒，由于活塞的壁面温度较高， 会二次蒸发汽油微粒使其参与燃烧，故该部分汽油微粒只有较弱的壁面激冷效 应存在，就不会大量产生h c 。 2 在计算流体力学及热力学基础上，进行大量的理论计算，用 p r o e n g i n e e r 软件建立进气道及燃烧系统的三维立体模型，并用f i r e 软件对 进气道及气缸内的气体流场，气流速度进行了理论分析，给出气缸内流场的全 貌，分析进气涡流对燃烧及排放的影响。预测了在这种燃烧系统下发动机的排 放状况，模拟了涡流比的变化及燃烧室形状的改变对发动机排放及性能的影 响。从理论上计算了与这种燃烧系统相匹配的涡流比及螺旋进气道形状的优化 匹配。 3 开发研制了适用于本发动机的无触点点火系统，本系统将晶体管应用 于汽油机点火系统的控制。这种点火系统克服了传统点火系统的部分缺点，电 提前点火器的感应线圈中产生的感应电动势幅值随转速的增加而提高，利用其 后沿触发开关电路，实现点火提前控制，使点火提前角适应发动机转速的变化。 4 建立了汽油机性能及排放试验台架，并在1 9 2 汽油机上进行了大量的 台架试验。考察了汽油机在不同转速、不同负荷下发动机的功率、油耗等性能 指标及排放水平。试验表明本燃烧系统在经济性和排放性方面效果都很理想。 8 山东大学硕士学位论文 第二章燃烧系统的开发 2 1 螺旋进气系统气体流动模拟计算 2 1 1 汽油机采用螺旋进气道的可行性分析 传统的化油器汽油机工作过程组织理论认为：汽油燃料应尽可能在进气 管和气缸内充分雾化使油气均匀混合以利于燃烧组织。为了使油气充分混合 并使汽油雾化，化油器式汽油机的进排气管均是同侧安置的。这样的方案可 以使汽油机迸气管由排气管获得加热以加速汽油燃料雾化。而汽油燃料的特 性又使得其要求火焰前锋面传播距离尽可能的短以缩短燃烧时间避免爆震。 加热进气的做法本身就与避免爆震相矛盾，因为受到加热的混合气温度提高， 燃烧室内的混合气在燃烧开始后如果超过汽油的自燃温度则会发生爆震。加 热进气的另一个缺点是减少了进气充量以致于影响发动机最大功率的发挥。 本研究正是基于上述观点而又要避免其缺点而进行的。 研究中首次将直喷式柴油机的螺旋进气道及活塞顶部沉坑形燃烧室应用 于汽油机。螺旋进气道所产生的强烈的缸内气流运动可以使缸内火焰前锋面 借助高速旋转的气流快速传播而火焰前锋面在高速旋转的同时会产生大烈度 的扭曲，这更加快了火焰传播。火焰前锋面的快速传播会大大缩短燃烧时间， 减少了爆震倾向。 应用螺旋进气道后会有大部分燃料微粒附着于进气道壁面上，因为螺旋 进气道的曲率较大，混合气流动时方向变化较大，故而进入气缸的燃料微粒 就会大大减少。螺旋进气道所造成的气流旋转会使汽油微粒在惯性力的作用 下甩向气缸壁面，从而在壁面激冷作用下产生较多的h c 排放。但活塞顶部沉 坑形燃烧室会积存部分汽油微粒，由于活塞的壁面温度较高会二次蒸发汽油 微粒使其参与燃烧，故该部分汽油微粒没有壁面激冷效应的存在也就不会大 量产生h c 。 理论上讲，有标度的紊流对火焰的传播会起到“推波助澜”的作用。但 是，螺旋进气道所产生的涡流速度应存在一个最佳值。涡流速度过大则有可 能吹熄火花塞放电产生的火核造成“失火”并将大量燃油微粒吹至气缸套壁 面致使燃油淬熄量加大造成h c 排放的增加：涡流速度过小则难以使缸内火焰 前锋面借助高速旋转的气流快速传播也难以使火焰前锋面产生大烈度的扭 山东大学硕士学位论文 曲，无法满足汽油机对火焰传播速度的要求。 2 1 2 螺旋气道及气缸内流场的c f d 模拟计算 2 1 2 1c f d 模拟计算的流程 本研究利用f i r e 软件模拟气道及气缸内的三维流场，其计算流程主要分为以 下七步： 1 ) 创建或调入c a d 几何模型； 2 ) 生成计算用体网格； 3 ) 定义边界条件； 4 ) 定义计算模型，确定运算模式( 定常非定常) ，选择控制数值模拟 的计算参数( 收敛标准、松弛因子、差分方法等) ；流体特性和初始 条件，流场初始化方式：选择求解的方程、湍流模型、输出的流场 变量： 5 ) 解算控制，检查网格质量，确定求解所需的参数( 其中包括流动参数、 燃油喷射参数、燃烧参数及其它模型如壁膜、辐射、两相流等) ； 6 ) 编译主程序及其用户函数、连接目标文件、运行执行文件、监控计算过 程： 7 ) 后处理，用图象或动画显示出标准的流场计算结果，如速度场、压力场、 湍流运动等。 2 1 2 2 几何模型的建立及网格的划分 ( 1 ) 几何模型的建立 流动数值模拟中首先涉及到的是计算网格的划分问题，网格划分的合理 与否与所建立的几何模型有直接联系。螺旋进气道的的外形属于自由形曲面， 不能用相应的数学公式表达出来，其形状的准确描述必须利用相应的建模软 件。由于在计算过程中进气道、气门及气缸是不可分割的整体，例如进气门 的升程及气道的安装位置对缸内涡流的形成影响显著；气道及缸内的流场模 拟采用定压差的计算方式，因此为保证气道入口处的压力相等及气流在缸内 流动的稳定性，对稳压箱的体积及模拟气道的长度都有一定的要求。考虑到 以上因素作者利用三坐标测量仪测出螺旋进气道的基本几何形状，然后利用 p r o e n g i n e e r 作为基础平台建立了进气道及气缸的几何模型，图2 1 为计算 所用几何模型之一。 山东大学硕士学位论文 图2 1 进气道及气缸的几伺模型 ( 2 ) 计算区域网格的划分 网格划分的基本原则：划分网格是建立计算模型的一个重要环节，它要求 考虑的问题较多，需要的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规 模将产生直接影响。为建立正确、合理的计算模型，划分网格时应注意如下基 本原则j 、。： 1 网格数量网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一 般来讲，网格数量增加，计算