（动力机械及工程专业论文）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.pdf

中文摘要 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( w r a ) 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 9 6 0 r m i n ，采用粒子图像测速( p ) 技术，使用最大升程分别为6 8 m m 、2 5 m m 、2 0 m m 和1 7 m m 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 7 m m 时的涡流比是6 8 m m 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 8 m m 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 0i i l l n 时变化最为突出，湍流强度的最大差值为3 3m s ，湍动能最 大差值为9m 2 s 2 。压缩冲程末期6 8 m m 升程的湍流强度和湍动能最大，分别为 2 5m s 和3 1m 2 s 2 ，分别是1 7 m m 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 7 m m 升程的湍动能和湍流强度 是6 8 m m 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。 关键词：直喷汽油机，p i v ，气流运动特性，燃油雾化及混合，可变气门升程 a b s t r a c t i no r d e rt ou s et h r e e w a yc a t a l y s tt om e e tt h et h es t r i n g e n te m i s s i o n r e g u l a t i o n s ，a tp r e s e n tt h ep r o d u c t i o no fd i r e c t - i n j e c t i o ng a s o l i n ee n g i n ei sm a i n l y h m d i s ie n g i n e s h o w e v e r , i no r d e rt om a i n t a i ne q u i v a l e n c er a t i oo f c o m b u s t i o n , t h e t h r o t t l ei ss t i l lb e i n ga d o p t e d ，p u m p i n gl o s si ss t i l li nf o r c e c o m p a r e dw i t hp f ie n g i n e ， t h ef u e le c o n o m yo fr i md i s ie n g i n eh a sn o ti m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y i nr e c e n ty e a r s ，t h ed e v e l o p m e n tv a r i a b l ev a l v ea c t u a t i o n ( w a ) t e c h n o l o g y c a nr e d u c et h ep u m p i n gl o s s i f i n s t a l lv v a t e c h n o l o g yo nh m - d i s ie n g i n e ，n o to n l y t h ep u m p i n gl o s sc a l lb ee l i m i n a t e da n de n g i n ee f f i c i e n c yc a nb ei m p r o v e d ，b u ta l s o t h eo t h e ra d v a n t a g e so fd i r e c ti n j e c t i o ng a s o l i n ee n g i n ec a l lb ep r e s e r v e d b u tw a c a ni n f l u e n c et h ei n c y l i n d e rf l o wa n do i la t o m i z a t i o n ，e s p e c i a l l ya tl o wv a l v el i f t d e s i g n e dao p t i c a lg a s o l i n ed i r e c ti n j e c t i o ne n g i n e t h ee n g i n ei sd r a g g e db ya m o t o r , s p e e do f 9 6 0 r m i n f u o ri n t a k ec a m s h a f tt h a tl i f ei s6 8 m m 、2 5 m m 、2 0 m m 、 a n d1 7 i i l 1a r er e s p e c t i v e l ya d o p t e d ac r o s s c o r r e l a t i o n d i g i t a lp a r t i c l ei m a g e v e l o c i m e t r y ( p ) s y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e da n da p p l i e dt os t u d yt h ei n c y l i n d e r f l o wa n dt h ea t o m i z a t i o no ff u e li nas i n g l e - c y l i n d e rd i s ie n g i n ew i t hv a r i a b l ev a l v e 1 i r s t u d ys h o w st h a td u r i n gt h ei n t a k es t r o k e ，i n - c y l i n d e rf o r m e da r e v e r s et u m b l e a tt h ei n i t i a li n t a k e t h e nt h e s et w op a r t so ff l o wg e n e r a t et w ov o r t i c e si nc y l i n d e r c o m p r e s s i o ns t r o k e ，t h et u m b l eo fi n t a k ev a l v es i d ei sc o m p r e s s e db yp i s t o n t h e ni t w i l ld i s a p p e a rg r a d u a l l y v e l o c i t yf i e l dc a nb eo b s e r v e dt h ef o r m a t i o no faf o r w a r d t u m b l e t h et u m b l er a t i oc h a n g ei ss m a l la st h em a x i m u mv a l v el i f td e c r e a s e s i n t h ei n t a k es t r o k es h o w i n gd o u b l e v o r t e xc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e ni tw i ub e c o m ea l a r g e s c a l ev o r t e xi nt h ec o m p r e s s i o ns t r o k e w i t ht h el o w e rv a l v el i f t ，v o r t e x m o v e m e n tg r a d u a l l ys t r e n g t h e n e d ，a n du n d e rt h es m a l lv a l v el i f t s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e dt h es w i r lr a t i o t h ee n do fc o m p r e s s i o ns t r o k e1 7 m mv a l v el i f ts w i r lr a t i oi s 3t i m e so f6 8 m mv a l v e1 i f i t h ea n a l y s i so fl o w p a s sf i l t e r i n go ft u r b u l e n c ei n t e n s i t ya n dt u r b u l e n tk i n e t i c e n e r g yw i t hc r a n ka n g l eo f t h et r e n do fc h a n g ei ss i m i l a ri nt h ei n t a k es t r o k e ；h o w e v e r , a st h ec r a n ka n g l ed e c r e a s e di nt h ec o m p r e s s i o ns t r o k e ，t h e r ei sag r o w i n gt r e n d t u m b l em e a s u r e m e n ts u r f a c e ，t h et u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g ya n dt u r b u l e n ti n t e n s i t yo f t h e6 8 m mv a l v el i f td i dn o tc h a n g es i g n i f i c a n t l yw i t ht h ec r a n ka n g l e 2 0i n n lv a l v e l i f th a st h em o s tp r o m i n e n tc h a n g e ，t u r b u l e n c ei n t e n s i t yo ft h em a x i m u md i f f e r e n c e f o rt h e3 3 m s ，t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g ya st h em a x i m u md i f f e r e n c e9m 2 s 2 t h ee n d o fc o m p r e s s i o ns t r o k e ，t h et u r b u l e n c ei n t e n s i t ya n dt u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yo f 6 8 m ml i f tr e s p e c t i v e l yi s2 5m sa n d3 1m 2 s 2 t h a ta r eo t h e rw o r k i n gc o n d i t i o n s1 7 t i m e sa n d3t i m e s s w i r lm e a s u r e m e n ts u r f a c e ，t h ei n t a k es w o k ei nt h et u r b u l e n c e i n t e n s i t ya n dt u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yo ft h ef o u r - v a l v el i f ti sv e r ys i m i l a rt ot r e n d s ； c o m p r e s s i o ns t r o k e ，w i t ht h ev a l v el i f to ft h el o w e rt u r b u l e n c ei n t e n s i t ya n dt u r b u l e n t k i n e t i ce n e r g ya r ei n c r e a s e d t h et u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g ya n dt u r b u l e n c ei n t e n s i t yo f 1 7 m ml i f ti s6 8 m ml i f ta b o u t2t i m e s h m d i s ie n g i n ei nt h ee a d yi n t a k es t r o k ei n j e c t i o n ，t h ef u e lw i l lh a v es u f f i c i e n t t i m ea n da i rm i x i n g ，h i g hi n j e c t i o np r e s s u r em a k et h ed r o p l e ts i z es m a l l e r , m o r e s h o r t d i s t a n c ec r o s s c u t t i n g ，m o r et h o r o u g hm i x i n go ff u e la t o m i z a t i o n f u e la n da i r m i x t u r ei nt h ep r o c e s so f m u t u a li n f l u e n c ei nt h ec o m p r e s s i o ns t r o k ec y l i n d e rm a k ea l a r g e s c a l et u m b l ef o r w a r dm o v e m e n tf o r m a t i o n , i n c r e a s i n gt h ef u e la n da i ri nc o n t a c t a r e a ；w i t ht h er e d u c t i o no fl i f t - v a l v e ，f u e la t o m i z a t i o nm o r ef u l l ya n dr a p i d l ym i x e d b e c a u s eal a r g e s c a l et u m b l ef o r m e d ；a n du n d e rs m a l lv a l v el i f t ，t h es t r o n gv o r t e x m o v e m e n ta n dt u r b u l e n c ei n t e n s i t ye n a b l em o r et h o r o u g hm i x i n go ff u e la t o m i z a t i o n k e yw o r d s ：d i r e c ti n j e c t i o ng a s o l i n e ，p i v , a i rf l o wc h a r a c t e r i s t i c ，f u e l a t o m i z a t i o na n dm i x t u r e , v a r i a b l ev a l v el i f t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：跟乐b 冈 签字日期：p 听 年f 月了日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤注苤堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：歃东胡 导师签名：乏天页 签字日期：m 吖年月了日签字目期：w 呷年么月7 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 2 0 0 8 年，据我国海关统计，全年进口原油1 7 8 8 8 万吨，增长9 6 。全年进 口成品油3 8 8 5 万吨，同比增加5 0 6 万吨。据行业统计，原油消费对外依存度 4 7 9 ，比上年提高1 3 个百分点。全年石油消费对外依存度达到4 9 8 ，比上 年提高1 4 个百分点，这种形势以对我国的能源安全造成了较大的威胁，而其中 汽车发动机是主要的是石油资源消耗者。同时在我国大中型城市，汽车尾气排放 已成为主要的大气污染源。有资料表明，上海市的汽车总量只相当于日本东京的 1 1 2 ，但空气中主要由汽车排放的c o 、h c 和n o x 的总量却基本相同。目前我 国在用汽车保有量为6 0 0 0 多万辆，然而随着经济的迅速发展和社会需要的增加， 在今后1 0 1 5 年内，中国汽车保有量将以年均9 的速度增长【l 捌。由此可见， 当前车用动力的发展正面临着进一步降低污染气体排放、缓解石油危机的严峻挑 战，因此展开高效清洁内燃机燃烧技术的相关研究是具有十分重要意义，对我国 的经济建设和科学的可持续性发展也具有十分重要意义。 虽然柴油机与汽油机相比，在节能、经济、环保等方面都具优势，但是由于 我国柴油资源十分紧缺，以及环保方面对微小颗粒的限制和柴油轿车的高成本， 使得我国一直以汽油机作为轿车和轻型车的主要动力源。由于汽油机燃烧依靠点 燃和火焰传播，混合气的空燃比必须控制在一定的范围，需要限制压缩比，而且 在低负荷工况不得不进行节流降低进气压力，造成泵气损失，也使混合气的比热 比较低，影响热效率，因此尽管汽油机的机械摩擦损失比柴油机小，油耗仍比柴 油机平均高2 0 3 0 。所以，从汽油车的保有量和油耗水平来考虑，汽油车的节 能潜力是极大的。 提高汽油机部分负荷热效率可通过不同途径。首先，提高进气压力降低泵气 损失，包括采用可变气门定时和可变升程机构、均匀混合直喷与可变气门定时结 合、废气再循环、稀燃、分层燃烧缸内直喷、等技术。其中“软喷射”或称为“喷 雾引导”型分层燃烧缸内直喷汽油机是公认能提高汽车在规定运行工况的平均燃 油效率近1 5 2 5 ，是世界上公认的提高汽油机经济性的最有效的手段之一。 但这种分层稀燃g d i 汽油机存在很多缺陷：由于稀薄燃烧而不能采用技术十分 第一章绪论 成熟的三效催化转换器，而专用的稀燃催化剂在还原过程中要消耗燃油，而且对 汽油含硫量要求极为严格；燃烧组织困难，还要配备滚流进气道，燃烧室形状复 杂，设计难度大；喷油器容易结垢积碳；由于当前的直喷汽油机大多采用壁面阻 挡的形式组织进气，容易形成壁面油膜和淬熄效应，并使碳氢排放恶化，而且这 种燃烧系统颗粒和碳烟排放也比较高 3 4 1 。采用直喷均匀混合燃烧可以避免分层 稀燃的这些缺陷，首先，由于采用当量空燃比的混合气和三效催化器，排气中的 氮氧化物处理问题可以得到妥善解决，不再需要超低硫汽油；其次采用均匀混合 气可以避免缸内形成过浓或过稀的混合气区，不仅避免了在过浓混合气区生成碳 烟，也降低了因火焰不能传播到过稀混合气区而造成的碳氢排放；同时燃烧控制 相对分层稀燃直喷汽油机要简单。 尽管均匀混合直喷汽油机有许多优势，与分层稀燃直喷汽油机相比，均匀混 合直喷汽油机不能在部分负荷工况下通过提高空燃比来减少泵气损失和提高混 合气的比热比，因此部分负荷工况热效率远低于分层稀燃直喷汽油机，其整体平 均燃油热效率提高约3 4 ，经济性改善有限。 近年来，可变气门驱动机构逐渐发展为一项成熟技术。该系统在显著改善发 动机的燃油经济性和减少排放方面具有很大的潜力。通过改变进气气门升程和定 时调节进气量，可有效的降低与进气节气门有关的泵气损失。可变气门正时 ( v v t ) 是现代汽油机的常用技术。它能提高低转速扭矩约5 减少中小型汽车 燃油消耗3 。凸轮型线切换( c p s ) 方法通过选择低升程和高升程凸轮型线来 改变发动机部分负荷时的燃油经济性和高负荷时的动力。近年来，在美国、欧洲 和日本新开发的汽油机中9 0 以上都采用了v v t 和v v i j 技术，此项技术已经 在气道喷射汽油机上得到广泛应用。但是气道喷射汽油机在部分负荷工况的汽油 混合主要是依靠高温燃气高速回流进气道来冲击进气道壁面上的油膜和或油池， 由于可变气门技术使得进气压力提搞而造成的燃气回流减少使汽油蒸发和油气 混合恶化，碳氢排放增加燃烧效率降低，因此在气道喷射汽油机上可变气门驱动 技术受到限制，不能充分发挥其优点。 实际上，把均匀混合直喷技术和可变气门驱动技术相结合将互补对方的缺点 而保留自己的优点，成为一种优化的燃烧系统。在这种汽油机中，可变气门驱动 技术可有效的减少泵气损失，弥补均匀混合直喷技术的不足。而由于汽油混合是 依赖高压喷雾来实现的，所以提高进气压力对燃油混合和蒸发没有影响。在整个 车辆运行工况的平均油耗与分层稀燃直喷汽油机的水平十分接近。 第一章绪论 1 2 直喷汽油机研究现状 直喷汽油机一直被认为是提高汽油机经济性和动力性的重要技术之一。直喷 发动机的优势就在于利用自主性极高的喷油系统，来创造出低速降低油耗、中速 降低排放与高速增强动力性三者兼具的表现。 早在几十年前，作为燃油预混式汽油机技术的改进，研究者已经开始了对四 冲程直喷点燃式( d i s i ) 发动机研究【6 】。绝大多数的d i s i 系统都在部分负荷时采 用充量分层稀燃来降低泵吸损失和较高的压缩比来提高热效率。例女i f o r d 公司的 p r o c o ( p m g m m m e dc o m b u s t i o n ) 的低压喷射系统，其喷射压力大约2 0 b a r 7 。9 】 以及采用与柴油机类似的高压喷油的t c c s ( t e x a c oc o n t r o l l e dc o m b u s t i o n s y s t e m ) 系统 m 1 1 1 。但是以上两种系统在部分负荷时都有较高的h c 和n o x 排放， 并且发动机的输出功率受到碳烟排放的限制。 但是近年来随着高压喷射技术和电子控制技术的高速发展，使得发动机界对 g d i 发动机重新产生了兴趣。揭起相关热潮的是m i t s u b i s h im o t o r s 公司在1 9 9 6 年以代号4 g 9 3 的直列四缸发动机，建造了g d i ( g a s o l i n ed i r e c ti n j e c t i o n ) 动力 系统，并装置于g a l a n t l e g n u m 车系上，并销售到了欧洲 1 3 , 1 4 。同时t o y o t a 和 n i s s a n 也相应的开发了分层稀燃d i s i 发动机【l 孓1 6 1 。近两年m e r c e d e s 的c g i 与 m a z d a 的d i s i 系统先后问世，美国的通用公司和意大利的a l f ar o m e o 公司也有 相关新产品的问世。当前在中国市场上搭载了v o l k s w a g e n a u d i 集团t s i 发动机 的m a g o t a n 轿车，已经打开了国内直喷汽油机轿车市场。 按充量分层模式的不同可分为喷雾引导型、壁面引导型和气流引导型三种方 式，如图1 - 1 所示。 唼 ( a ) 喷雾引导型( b ) 壁而引导型( c ) 气流引导犁 图1 - 1 分层燃烧系统分类 f o r d 公司的两种系统都将喷油器布置在燃烧室顶端，而m i t s u b i s h i 、t o y o t a 和n i s s a n 都将喷油器布置于进气道下侧。虽然m i t s u b i s h i 公司的g d i 发动机充 第一章绪论 分利用逆滚流运动促使混合气向火花塞附近运动 1 3 a 4 】，t o y o t a 公司的d 4 发动机 利用强涡流来促进燃油雾化过程，但是燃油是通过气缸壁和活塞的引导作用来 改变运动方向的，所以它们都属于壁面引导型分层燃烧系统。 虽然壁面引导型分层燃烧系统易于实现充量分层稀燃，但是其本身具有很大 的缺陷：首先中高负荷时，不能采用分层稀燃模式，因为随着负荷的增加其不能 提前喷油，否则活塞位置过低，活塞顶不得壁面不能完全阻断喷雾，使得部分油 束与缸套相撞，并进入罅隙，这样不但会造成较高的未燃s o o t 排放，也会冲淡 缸套表面的润滑油，是摩擦增加甚至造成拉缸，所以当前的d i s i 系统在中高负 荷时都采用均质混合当量比燃烧，结果使得泵吸损失不能有效的去除。其次该系 统存在着严重的壁湿现象，使得未燃h c 、c o 和碳烟的排放明显增加。同时随 着发动机转速的提高，燃油雾化时间缩短，分层燃烧的效率降低使得碳烟和co 和油耗都增加，并且由于适宜的混合和混合过程更加困难，降低了燃烧的稳定性。 所以发动机只能限制在3 0 0 0 转左右【l 6 j 。 j i a l i ny a n g ，r u b e nh m u n o z 等人在一台0 3 1 l 排量的单缸机上对比了气流 引导型( a f i ) 和喷雾引导型( l f i ) 分层燃烧发动机的性能和排放。经研究发现 a f i 模式下油耗要比l f i 高出4 5 ，但n o x 和c o 排放几乎是l f i 模式下的 一半，s o o t 排放几乎为零，只有未燃h c 略高于f l i 模式。并且试验证明了可变 气门正时( v v t ) 系统应用于分层稀燃直喷汽油机取得的效果要远差与p f i 发动 机所取得的效果【2 0 】。a r a n i n i 等人将涡轮增压器配备与分层直喷汽油机上，研 究发现进气增压能明显提高发动机输出扭矩，对发动机小型化，从而降低油耗有 明显的效剁1 丌。p o n t o p p i d a n 等人有三位c f d 工具研究了可变气门正时控制混合 气的形成过程【l 引。n a u w e r c k 等人研究了在非常高的喷油压力下，周围温度和背 压对油束形状，液滴速度和直径的影响，研究发现开始时周围温度越高雾化速度 愉快，喷油开始时由于摩擦力的影响，高背压下喷雾锥角和贯穿距都相应减小， 但在喷油末期，由于燃油惯性的作用，其喷雾锥角和贯穿距都会维持在一固定值。 但随着喷油压力的增加，喷油量也随之增加【l9 j 。国内也在近些年开展了直喷汽油 机的研究，先后有清华大学、天津大学、西安交通大学和上海交通大学开展了对 直喷汽油机替代燃料和均质压燃方面的研究 2 1 - 2 5 】。无论是国外大型汽车公司还是 国内高校、研究所，众多研究都倾向于分层稀燃和均质压燃直喷汽油机方面，而 在均匀混合直喷汽油机上的研究十分罕见。 1 3 可变气门驱动技术研究现状 可变气门驱动( v a r i a b l ev a l v ea c t u a t i o n ，从) 在汽车界被认为是发展下一 第一章绪论 代发动机最为有效的技术之一，必将对汽油机发展产生重要影响 1 1 - 1 3 】。到目前为 止，w a 的应用基本是以通过应用可变气门定时( v a r i a b l ev a l v et i m i n g ，v v t ) 提高发动机低速扭矩、高速功率或者改善排放为主要目的，对发动机的热效率提 高能力有限。如日本本田公司开发的v t e c t 9 1 、丰田公司的w t i 【1 4 j 以及 m i t s u b i s h i 公司的m i v e c 1 5 】等。此外德国奥迪、美国福特以及日本n i s s a n 等也 相继推出具有可变配气相位的轿车【l6 】。为了同时最大程度地提高汽油机的动力 性、经济性和降低排放，全可变气门驱动或无凸轮驱动( 包括可变气门升程、定 时) 装置将是今后汽油机技术最有前途的发展方向。如英国l o t u s 公司的a v t 系统、b o s c h a v l 公司正在联合开发无凸轮电液系统，美国f o r d 、s t u r m a n 等公 司开发的无凸轮电液系统【1 7 - 1 8 以及f e v 公司、h o n d a 、b m w 、美国v i s t e o n 等公 司正在研制的电磁控制的无凸轮系统【1 9 2 0 】。另外还有一些机械式全可变气门驱动 系统，包括b m w 的v a l v o t r o n i c s ，德国的m e t a 公司、美国的d e l p h i 、英国 m e c h a d y n e 公司 21 - 2 3 】。这其中，真正做到可以把节气门去掉以可变气门驱动控制 负荷，减小泵吸损失的是b m w 的v a l v e t r o n i c 无节气门发动机负荷管理系统( 全 可变气门驱动系统) 。该系统于2 0 0 0 年应用于量产汽油机，2 0 0 4 年又对其进行 了全面改进，应用该系统部分负荷工况下可以使油耗降约1 2 2 4 。国内自8 0 年 代末开始这一领域的研究工作，先后有清华大学、长春汽车研究所、上海交通大 学和吉林大学开展了可变气门驱动机构的开发研究【2 孓2 7 j 。近几年浙江大学及武 汉理工大学也参与了该研究领域，进行机构的仿真计算【z 龇刿。 1 4 内燃机缸内空气运动的作用 内燃机的燃烧是一种带有剧烈放热化学反应的流动现象，实际燃烧过程是一 个包含流体流动、传热传质和化学反应以及它们之间相互作用的复杂的物理和化 学过程。内燃机的燃烧效率和污染物的生成均与气缸内气流运动的情况紧密相 关，因此几十年来，内燃机燃烧过程研究的相当一部分力量集中于气缸内气流运 动方面。 对于火花点火式发动机，湍流火焰传播速度是影响发动机性能的重要参数， 提高燃烧速度会明显提高燃烧效率、降低循环变动和抑制有害气体的排放。湍流 燃烧速度又取决于可燃混和气的湍流强度，在进气行程中，气流通过气门与气门 阀座的环形通道会受到明显的剪切作用，破碎而成为很多环形涡流，增加了气缸 内的湍流强度。然而，进气过程中产生的湍流由于尺度小而很快耗散，在压缩行 程末期强度已大为衰减，对于增加湍流火焰传播速度的作用已十分有限。因此， 许多汽油机都通过组织适度的进气涡流和挤流来提高压缩末期的湍流强度，促进 第一章绪论 燃烧过程的改善。对于四气门汽油机，采用屋顶形燃烧室，两个进气门对称布置 于屋顶的一侧，气缸内很容易形成滚流。而滚流作为大尺度涡可以有效地承载进 气行程缸内气流得到的动能，并在压缩行程后期破碎成小涡，将平均流的动能转 化为湍能，使压缩末期的湍流强度大大提高，达到改善燃烧的目的【3 0 1 。 1 5 内燃机缸内空气运动的研究方法 传统测量气体流速的手段主要有热线风速仪法h w a ( h o tw i r e a n e m o m e t e r ) 和激光多普勒测速法l d a ( l a s e rd o p p l e ra n e m o m e t e r ) ，它们都只能测量气体在 一个方向的速度，大大限制了研究的深度。随着科技的发展，7 0 年代末由固体 力学散斑法发展起来的粒子图象测速( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ) 技术，突破传 统单点测量的限制，可瞬时无接触测量流场中一个截面上的二维速度分布，且具 有较高的测量精度。 其测试方法为在流场中布撒示踪粒子，并用脉冲激光片光光源入射到所测流 场区域中，通过连续两次或多次曝光，粒子的图象被记录在底片上或c c d 相机 上。采用光学杨氏条纹法、自相关法或互相关法，逐点处理p i v 底片或c c d 相 机记录的图象，获得流场速度分布。如果流场中的粒子浓度很稀，在确定粒子位 移时常常采用单个粒子的识别和跟踪的方法，一个一个确定该粒子的速度。不同 于当前公认p i v 方法，称为粒子跟踪测试技术( p a r t i c l et r a c i n gv e l o c i m e t r y , 简称 p t v ) ，但也统称为p 。 p i v 现在已广泛应用于各种流动的测量，从定常流动到非定常流动、低速流 动到高速流动、单相流动到多相流动等。它与热线风速仪、激光测速仪等相比具 有如下显著特点：能测量研究空间全流场的瞬态速度；对流场干扰小。在 p i v 方法中，图像处理算法是其核心之一，因此是目前p i v 理论研究中的主要 方面之一，它直接决定了处理结果乃至p i v 方法的可靠性和精确度【2 4 1 。对流场信 息进行不同的处理便可以得到丰富的试验数据，如瞬时速度的梯度和涡流的变形 率等，此外用p i v 测试系统还可以对湍流速度按频率进行分解，得到不同因素影 响下的湍流速度。 利用多幅p i v 图像不仅可以获得流场随时间的变化规律，而且可获得流场中 流速的空间分布，这一优点在研究湍流、涡流等空间非稳态的流场时显得更为突 出。 第一章绪论 1 6 内燃机缸内喷雾的研究方法 目前，雾化特性和液滴尺寸分布的测量方法是多种多样的，从先前的二维光 学测量发展到了当前能反映喷雾场三维时空动态特性的激光测试技术阶段。如适 用于测量喷雾速度的激光多普勒测速仪( l a s e rd o p p e rv e l o c i m e t e r ) 。粒子图象 速度场仪( p i v ) ，显示油束内部结构的激光层析摄影法( l a s e rc o m p u t e d t o m o g r a p h ym e t h o d ) 及三木英雄等人的直接显微摄像法( d i r e c t p h o t o m i c r o g r a p h ym e t h o d ) 以及应用较为广泛的激光全息、激光散射方法、激光 诱导荧光法等。 1 7 本课题研究内容及意义 研究不同气门控制模式下缸内气流运动对无节气门负荷控制均匀混合直喷 发动机缸内燃油雾化及混合的影响规律，通过对不同气门控制模式和喷油策略对 燃油空间分布的影响规律的认知，优化直喷发动机的喷雾和混合气形成过程。 拟采用的研究方案为： ( 1 ) 光学发动机由电机拖动，转速为9 6 0 r m i n ，分别采用四种进气凸轮 轴，最大升程分别为6 8 m m 、2 5 r a m 、2 0 m m 和1 t m m ，采用粒子图像测速( p ) 技术，研究了缸内气体流动特性以及其对燃油雾化和混合的影响。 ( 2 ) 通过改变喷油正时和喷油参数研究其对缸内燃油雾化混合的具体影 响。 把均匀混合直喷汽油机技术和可变气门驱动技术相结合，利用可变气门驱动 技术减小部分负荷下泵吸损失，燃油缸内直喷能明显改善冷启动时污染物的排 放，同时又能增大爆震极限，增加压缩比，从而提高发动机热效率，所有工况都 采用化学计量当量比燃烧，所以不用采用价格昂贵的稀燃三效催化转化器和低硫 汽油，传统成熟的三效催化器得以保留。这种组合是以后发展高效清洁汽油机的 重要方向之一。 本研究对于认知不同气门控制模式下当量比燃烧汽油机直喷发动机气流动 对喷雾过程和混合气形成过程影响的规律具有重要的科学意义。同时为高效清洁 的当量比燃烧汽油直喷发动机的优化设计提供理论依据和实施方案。 第二章试验系统的建立 第二章试验系统的建立 将粒子图像测速( p ) 技术应用于缸内直喷光学发动机中，研究直喷汽油 机缸内空气流动和燃油喷射过程及雾化混合过程。 2 1 粒子图像测速( p ) 系统 2 1 1 粒子图像测速( p i v ) 原理 p i v 是一种瞬态流动平面二维速度场测试技术，其基本原理是：由已知时间 间隔内流场中微小区域的位移计算出速度矢量。双脉冲激光器发出时间间隔为 出的激光脉冲通过一系列光学透镜形成激光片光源，照亮所要研究的区域。待 测区域中已分布有适宜的示踪粒子，激光照射到粒子上，粒子便会散射或反射激 光，同时与待测区域垂直的c c d 拍摄相机，将拍摄到两次激光脉冲所形成的待 测区域流场图。其中第一个脉冲将这些粒子初始位置的影像记录在相机的第一帧 上，第二次激光脉冲的光将相机的第二帧曝光。于是得到两幅影像，第一幅显示 了粒子的初始位置，第二幅则是它们跟随流场移动的终了位置。两次曝光的粒子 影像也可以记录在同一张底片上1 25 | ，如图2 所示。由于互相关能自动判别粒子速 度方向，并且信噪比和准确度都高与自相关，所以我们采用互相关的方法将两次 曝光的粒子图像记录在同一张底片上，来描述粒子的真实速度。 t 后，粒子的第 二悃幽像 粒二于 图2 - 1p i v 原理示意图 粒子速度矢量计算公式：u ：l i i i l 些v ：l i m a y a t - - * 0 a t a t e 0a t 其中，ax 和ay 为流场中粒子实际位移，单位：m m ；a t 为激光片时间间 第二章试验系统的建立 隔，单位：ps ；u 、v 为x 和y 方向的速度，单位：m s 。 2 1 2 粒子图像测速( p i v ) 系统组成 p i v 测量系统主要四部分组成：激光器( 光源) 、c c d 相机、示踪粒子和图 像处理系统。 1 激光器 在p i v 测量中，常常使用倍频的n d ：y a g 激光器作为光源。有两种n d ：y a g 激光器用于p i v 试验。较为简单的一种是单谐振腔可发出双脉冲的n d ：y a g 激 光器。这种激光器的原理是一次泵浦产生的能量通过调q 开关分给两个脉冲。 然而这样使每个脉冲的能量比单脉冲模式下脉冲的能量减少许多。脉冲的间隔通 常被限制在2 0 9 s - 2 0 0 9 s 。脉冲的能量和脉宽会随脉冲间隔改变，这会导致粒子 影像的不均匀强度，同时也需要记录介质动态范围的配合。目前倾向于使用具有 双振荡器、双放大器的倍频n d ：y a g 激光器。每台振荡器和放大器都可以被分别 触发，因此可以无限小地控制激光脉冲间隔及单独控制单个脉冲的能量。 在本次试验中选用的是n e w a v e 公司的s o l 0 1 2 0 双谐振式n d ：y ：觚激光器， 采用q s w i t c h 触发，输出激光波长为5 3 2 n m ，工作频率为15 h z ，每个脉冲能量 为1 2 0 m j ，光脉冲宽度为3 - 5 n s 。 2 c c d 相机 在p i v 测速技术中，根据流场记录的媒介不同可大致分为两大类，一类是将 流场片光源截面上示踪粒子的两次或多次曝光记录在同一感光胶片上，获得p i v 底片，然后采用杨氏条纹法或相关法等逐点判读p i v 底片；另一类是采用c c d 摄像机直接将片光源截面的流场图像摄入到计算机图像处理系统，然后通过相应 的图像处理方法测量速度分布。由于不需要湿处理，且可以在试验现场快速获取 测量结果，因此，采用数字式c c d 相机直接记录流场的方式近几年已被越来越 多地采用【2 6 j 。 本次试验选用s o n yi c x 0 8 5c c d 相机，分辨率为1 2 0 8 1 0 2 4 像素，镜头为 n i k o na fn i k k o r , 分辨率为1 2 0 8 1 0 2 4 像素，像素尺寸6 71 tm 6 7i lm ，c c d 有效区域为8 6 m m x 6 9 r a m ，两幅最小时间间隔为3 0 0 n s ，以2 5 6 级灰度方式识别 示踪粒子，采集频率为8 h z 。 3 示踪粒子 第二章试验系统的建立 在p i v 测量中，需要添加一定数量的足够小的粒子，让这些粒子跟随流体运 动来模拟整个流场的情况，同时通过激光照射流体，流体中的粒子在强光照射下 发生散射，我们设法得到这些散射光并对其分析就可以得到流场的运动情况。因 此，示踪粒子的添加是p i v 技术中非常重要的一环。在以气体流动为主的发动机 试验中，示踪粒子的作用更显得尤为重要，一般而言，p i v 测量对示踪粒子的要 求可归纳为以下几点： 跟随性：太大：不能跟随；太小：易受干扰 散射性：粒子的大小、形状、位置、折射率比、角度 浓度：太浓：散斑出现；太稀：无统计意义( 查询区) 在本次试验中，选用的是示踪粒子试剂为癸二酸二异辛酯( d i o c t y l e s e b a