（动力机械及工程专业论文）缸内直喷汽油机高压旋流喷油器内部流动及喷雾特性仿真研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 近年来，缸内直喷汽油机以其良好的燃油经济性、快速响应性和冷起动时较 低的h c 排放等优点，已经成为国内外研究开发的热点。缸内直喷汽油机燃油喷 雾质量的好坏是控制其混合气形成及燃烧过程的关键。因此，开展缸内直喷汽油 机燃油喷射系统的研究工作对改善汽油机性能具有重要意义。 本文以缸内直喷汽油机中内开式单孔高压旋流喷油器为研究对象，使用 a v l - f i r e 软件，首次对喷油器内部流动及其喷雾特性开展联合仿真研究。 首先，介绍了高压旋流喷油器的工作原理及缸内直喷汽油机燃油喷射系统试 验装置，对高压旋流喷油器流量特性进行了试验研究，测量了累计循环喷油量， 分析了高压油轨压力和喷油脉宽对喷油量的影响，并将试验结果用于验证所建立 的高压旋流喷油器旋流腔内部气液两相流模型的准确性。 其次，建立了高压旋流喷油器喷雾模型，将高压旋流喷油器旋流腔内部气液 两相流动的仿真计算结果应用于喷雾计算中对喷雾液滴进行初始化，就喷油压 力、燃烧室压力及燃烧室温度对高压旋流喷油器喷雾特性的影响进行了仿真研 究。 最后，对多种结构的高压旋流喷油器旋流腔内部气液两相流动及喷雾特性进 行联合仿真，仿真结果表明：喷油器旋流腔中的导流板开有斜u 型导流槽时， 燃油在喷孔出口处形成的旋流最强，喷雾分布最广泛，最有利于燃油与缸内空气 的混合；喷油器旋流腔中旋流板的形状对旋流板截面上的燃油速度分布、喷孔出 口处的燃油速度、喷雾贯穿距离及喷雾锥角等具有不同程度的影响。 本文研究工作为缸内直喷汽油机喷雾过程研究提供参考价值。 关键词：汽油机，缸内直喷，喷油器，气液两相流，喷雾，仿真 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，g d i ( g a s o l i n ed i r e c ti n j e c t i o n ) e n g i n e sh a v eb e c o m et h ef o c u s o fr e s e a r c hb o t hd o m e s t i ca n do v e r s e a s ，d u et ot h e i rh i g h e rf u e le c o n o m y , b e t t e rr a p i d r e s p o n s ea n dl o w e rc o l ds t a r th ce m i s s i o n s s p r a yq u a l i t yo fg d ie n g i n e si st h ek e y t oc o n t r o lm i x t u r ef o r m a t i o na n dc o m b u s t i o np r o c e s s t h e r e f o r e ，i ti so f g r e a t s i g n i f i c a n c et o r e s e a r c hi n t og d if u e li n j e c t i o ns y s t e mt oi m p r o v eg d ie n g i n e s p e r f o r m a n c e t h i s p a p e r r e s e a r c h e d i n w a r d l yo p e n i n gh i g h - p r e s s u r e s w i f t i n j e c t o rb y 筒以r f i r es o f t w a r e m o r e o v e r , c o - s i m u l a t i o no fi n t e r n a lf l o wc h a r a c t e r i s t i c so f i n j e c t o ra n ds p r a yc h a r a c t e r i s t i c sw a sc a r r i e do u tf o rt h ef i r s tt i m e f i r s t l y , t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fh i g h - p r e s s u r es w i r li n j e c t o ra n dg d if u e l i n j e c t i o ns y s t e mt e s td e v i c ew e r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a n de f f e c t so fc o m m o nr a i l p r e s s u r ea n di n j e c t i o np u l s eo nt h ef u e li n j e c t i o nq u a l l i t yw e r es t u d i e do nt h et e s t d e v i c e t h e n ，e x p e r i m e n tr e s u l t sw e r eu s e dt ov a l i d a t et h ea c c u r a c yo fg a s - l i q u i d t w o - - p h a s ef l o wm o d e lo ns w i r lp o r t so fh i g h - - p r e s s u r es w i r li n j e c t o r s e c o n d l y , t h es p r a ym o d e lo fh i g h p r e s s u r es w i f ti n j e c t o rw a se s t a b l i s h e d i n a d d i t i o n ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fg a s - l i q u i dt w o p h a s ef l o wi ns w i r lp o r t so f t l i g h - p r e s s u r es w i r li n j e c t o rw e r ea p p l i e di ns p r a ys i m u l a t i o na st h ei n i t i a lc o n d i t i o no f s p r a yd r o p l e t s a n dt h ep a p e rc a r r i e do u tr e s e a r c ho ne f f e c t so fi n j e c t i o np r e s s u r e ， c o m b u s t i o nc h a m b e rp r e s s u r ea n dc o m b u s t i o nc h a m b e rt e m p e r a t u r eo ns p r a y c h a r a c t e r i s t i c so fh i g h - p r e s s u r es w i f ti n j e c t o r f i n a l l y , c o - s i m u l a t i o no fi n t e r n a lf l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n ds p r a yc h a r a c t e r i s t i c so f h i g h p r e s s u r es w i r li n j e c t o rw a sc a r r i e do u tu n d e rd i f f e r e n tg e o m e t r ys t r u c t u r e s a n d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t ：d e f l e c t o rw i t hu - c h u t e sw i t ht h es t r o n g e s tv o r t e x a tt h ee x i to fn o z z l ea n dt h em o s tw i d e l yd i s t r i b u t e ds p r a yw a sm o s tf a v o r a b l et o m i x t u r ef o r m a t i o n b e s i d e s ，t h es h a p eo fs w i r lp l a t eh a di n f l u e n c e so nf u e lv e l o c i t y d i s t r i b u t i o na tt h es w i f tp l a t es e c t i o na n dt h en o z z l ee x i ts e c t i o n ，s p r a yt i pp e n e t r a t i o n a n dt h es p r a yc o n ea n g l et oav a r y i n gd e g r e e t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e rh a ds o m e t h i n gr e f e r e n t i a lv a l u ef o rs t u d yo ns p r a y p r o c e s so fg d ie n g i n e k e yw o r d s ：g a s o l i n ee n g i n e ，d i r e c ti n j e c t i o n ，i n j e c t o r , g a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o w , s p r a yc h a r a c t e r i s t i c s ，s i m u l a t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密团。 学位论文作者签名：私土喝 扣产年月哆日 印 指导剩磁名 w o 年6 月少目 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：予矗唧 日期：呻年月侈日 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 近几十年来，随着材料工业、制造技术、测试技术和电子技术等的飞速发展，汽车工 业的发展可谓一日千里，汽车已经成为现代生活中不可缺的交通工具。预计到2 0 1 0 年全 世界汽车保有量将会突破1 0 亿辆【1 1 。然而汽车工业的发展对环境和能源造成了巨大压力。 目前，我国对进口石油的依存度已经高达5 2 以上。根据国际能源机构 2 0 2 0 年中国能源 展望报告预测，中国石油需求将以年均4 6 的速度增长，至2 0 2 0 年，全年石油消费量 将超过5 亿吨，原油缺口约1 3 亿吨【2 】。汽车尾气中的有害物质也己成为我国城市环境的 主要污染源。能源、环境问题使我国汽车工业的发展面临着更加严峻的考验，迫切要求具 有更节能、更环保的汽车发动机新技术的产生。 近年来，国外车用汽油机的先进技术主要有： ( 1 ) 多气门与可变配气机构 传统的汽油机仅有一个固定的气门定时和升程规律，只能在一定的转速范围内获得较 佳的性能，而无法根据发动机的运转工况进行全面优化；另一方面，汽油机高速时的节流 损失很大，充量系数很低，限制了发动机性能的进一步提高。应用多气门与可变配气机构 技术，可以大大提高进气流通面积，降低节流和泵气损失，提高充量系数，从而达到改善 发动机动力性、经济性和排放的目标。如德国f e w 公司研制的电磁控制全可变气门机构汽 油机，通过控制进气门开启时间来控制发动机的进气量，取消了节气门，在欧洲轻型车标 准测试循环中油耗降低1 5 ，h c 排放降低9 ，n o x 排放降低4 2 【3 1 。 ( 2 ) 废气再循环技术 高温和富氧是n o x 排放生成的重要因素。在氧气充足的条件下，发动机的缸内燃烧温 度是决定n o x 生成的关键因素。废气再循环( e x h a u s tg a sr e d r c u l a f i o n ，e g r ) 就是通过 在混合气中掺入废气成分，增加了混合气的热容量，达到降低燃烧速度从而降低燃烧温度、 减少n o ；的排放【4 】的目的。与此同时，汽油机采用e g r 后的泵气损失、冷却散热损失及燃 烧产物离解反应降低，机械效率和热效率提高，油耗率减小【5 】。j a c k s o n 6 1 等人的研究表明， 与没有采用e g r 相比，一台直喷式汽油机当废气再循环率在4 0 时，油耗降低3 ，n o 。 降低8 1 ，h c 降低3 5 。 ( 3 ) 提高压缩比或采用可变压缩比技术 1 江苏大学硕士学位论文 从热力学角度讲，发动机的压缩比越大，热效率就越高。但汽油机的压缩比受满负荷 时的最大允许机械负荷以及爆燃的限制不可以选取太高，从而限制了热效率的提高。 标志雪铁龙集团与宝马集团合作开发出了具有可变压缩比技术的发动机，其气缸盖和 气缸体通过一组摇臂动态连接在一起，摇臂能在e c u 的控制下改变一定的角度，从而改 变了燃烧室的体积，达到改变压缩比的目的。在2 0 0 9 年3 月的日内瓦国际汽车展上展出 了装备此款发动机的标致4 0 7 汽车，压缩比控制在7 1 至2 0 1 之间，百公里油耗仅为6 7 l ， c 0 2 的排放量为1 5 8 9 k i n 。 ( 4 ) 汽油缸内直喷技术 汽油缸内直喷( g a s o l i n ed i r e c ti n j e c t i o n ，g d i ) 技术由于将汽油直接喷入气缸，汽油 蒸发对缸内空气起到了冷却作用，所以可提高汽油机压缩比，而不会使汽油机发生爆燃现 象。同时g d i 汽油机可以不使用节气门，降低了泵气损失。g d i 汽油机的喷油压力高，燃 油雾化好，可保证微米级的液滴在瞬时汽化，使短时间内喷射的足够多的汽油都能形成良 好的可燃混合气。表1 1 为一台丰田d 4 型1 8 l 缸内直喷式汽油机与一台1 8 l 进气道喷 射式汽油机的燃油经济性比较。由表1 1 可以看出，g d i 汽油机在燃油经济性方面有着巨 大的优势与发展潜力。 表1 1g d i 汽油机燃油经济性的改善 t a b l e1 1g d ie n g i n e s i m p r o v e m e n ti nf u e le c o n o m y 汽油机1 0 - 1 5 工况体积燃油行驶里程( k m l ) 丰田d _ 4 型缸内直喷式汽油机 1 7 4 进气道喷射式汽油机1 3 g d i 技术在国外发展已经较为成熟，1 9 9 6 年，日本三菱公司就推出4 g 9 3 缸内直喷汽 油机；同年，日本丰田公司开发出了d 4 型缸内直喷汽油机 7 1 ；2 0 0 2 年，德国大众公司在 高尔夫和宝来车型系列中增加了缸内直喷汽油机的规格【8 】；2 0 0 4 年，大众公司将燃油分层 直接喷射增压汽油机推向市场【9 l ；德国宝马公司也于“2 0 0 5 年技术论坛上推出了喷雾引 导型缸内直喷汽油机【1 0 1 。 然而，目前国内唯一量产的g d i 汽油机是引进大众公司的燃油分层直接喷射汽油机。 一汽集团、华晨、奇瑞、长安和吉利等汽车企业联合高校和研究机构正在开发g d i 汽油机， 技术上与国外的差距还很大，迫切需要加强这方面的研究工作。 2 江苏大学硕士学位论文 1 2g dl 汽油机的工作特点 汽油机的混合气形成和燃烧方式的发展主要经历了三个阶段，即化油器式、进气道喷 射式和缸内直喷式。进入2 0 世纪8 0 年代中期，已经拥有1 0 0 多年历史的化油器式汽油机 逐渐退出了汽车领域，取而代之的是进气道喷射式( p o r tf u e li n j e c t i o n ，p f i ) 汽油机，但 p f l 汽油机仍属于气缸外形成混合气方式。到上世纪9 0 年代中后期，出现了以分层稀燃为 主要特征的g d i 缸内直喷式汽油机，它利用缸内气流的运动和特殊形状的活塞项面的引导 形成可燃混合气，可实现混合气分层和稀燃。 g d i 汽油机与p f i 汽油机的工作特点比较如表1 2 所示。由表1 2 可见，g d i 汽油机 由于可以燃用更稀的混合气，采用较高的压缩比和具有更高的充量系数，更有利于油耗的 降低和动力性的提高。 表1 2g d i 汽油机与p f i 汽油机的特点 t a b l e1 2t h ec h a r a c t e r so fg d ia n dp f ie n g i n e s g d i 汽油机的工作特点具体体现在如下几个方面： ( 1 ) 动力性能和经济性能 由于g d i 汽油机的燃油雾化与蒸发吸收了空气中的热量，使混合气温度降低，进气密 度增加，充量系数提高，爆燃倾向降低。因此，g d i 汽油机可以选用更高的压缩比，提高 了动力性能，改善了燃油经济性。 另外，g d i 汽油机可以不使用节气门，而是利用缸内空燃比的变化来调节发动机的负 气 江苏大学硕士学位论文 荷，这就避免了p f i 汽油机部分负荷时因节气门开度较小引起的节流损失，提高了发动机在 部分负荷时的充量系数【1 1 l ，燃油经济性随之改善。 ( 2 ) 排放性能 g d i 汽油机中燃油与空气的混合主要依靠喷雾和缸内空气运动，在低温起动时，勿需 过量供油，因而解决了p f i 汽油机冷起动时高h c 排放的问题。但是，g d i 汽油机在中小负 荷采用分层燃烧模式时，缸内温度偏低，不利于未燃h c 继续氧化，造成h c 排放较高。 g d i 汽油机可以燃用较稀的混合气，气缸内的反应温度较低，可使n o 。排放有所降低。 但是，当g d i 汽油机工作在稀混合气条件下时，由于富氧和较低的排气温度使传统的三效 催化转化器对n o x 的转化率降低，限制了催化转化器在g d i 汽油机上的应用【1 2 1 。 在低负荷、过渡工况和冷起动的情况下，g d i 汽油机的微粒排放高于p f i 汽油机，但仍 比柴油机低一个到几个数量级。 尽管g d i 汽油机在经济性方面具有明显的优越性，但在实际的g d i 汽油机上，难以实 现理想的混合气分层燃烧。发动机不同负荷时要求的理想的喷油时刻也相差较大，发动机 动力输出的连续变化需要较复杂的控制策略才能实现。 另外，g d i 汽油机需要较高的喷油压力以及汽油的润滑性差等特点，要求开发出功率 消耗低、抗磨损能力强的燃油喷射系统。 1 3g di 汽油机燃烧系统概述 g d i 汽油机燃烧系统的设计是g d i 汽油机开发的关键技术之一。g d i 汽油机的燃烧系统 设计要点是：兼顾大负荷均质燃烧和中小负荷分层稀薄燃烧对空然比的不同要求，进行燃 油、空气和燃烧室三者之间的合理配合，合理布置喷油器和火花塞的位置。 g d i 汽油机燃烧系统研究主要包括混合气形成方式、缸内空气运动的组织及空燃比的 控制三方面内容。 ( 1 ) g d i 汽油机混合气形成方式 按混合气形成方式的不同，g d i 汽油机可分为喷雾引导、壁面引导和气流引导三种类 型，图1 1 所示为g d i 汽油机的三种混合气形成方式。 4 江苏大学硕士学位论文 幽阪 b 簦 坦，熬l ；缘 a ) 喷雾引导型b ) 壁面引导型 c ) 气流引导型 图1 1 g d i 汽油机燃烧系统的三种混合气形成方式 f i g t j r e l 1 t h r e e t m e o f g d l m i x t u r e f o r m a t i o n 1 ) 喷雾引导型 喷雾引导型燃烧室结构如图1l a 所示喷嘴与火花塞距离较近，喷嘴一般位于气缸中 心，火花塞位于油柬边缘。其优点是喷雾不会撞壁，而且当整个燃烧室内为稀薄混合气时， 火花塞周围仍能形成口r 燃混合气。三菱、日产等公司j r 发的一些机型采用了这类燃烧系统。 2 ) 壁面引导型 壁面引导型燃烧室结构如图1 1 b 所示，喷嘴与火花塞距离较远，利用特殊形状的活塞 顶面配合气流运动，将燃油蒸汽导向火花塞，在火花塞问隙处形成合适浓度的混合气【1 3 1 。 丰 1 = i 、h 产、大众等公司丌发的一些机型采用了这类燃烧系统。 3 ) 气流引导型 气流引导型燃烧定结构如图1 1 c 所示，喷嘴与火花塞距离较远，综合利用进气道和活 塞顶面，在缸内形成滚流与涡流帽结合的气流运动。f e v 和a v l 公布的一些开发方案中采 用了这类燃烧系统。 ( 2 ) g d l 汽油机缸内牛气运动的组织 发动机缸内空气运动对混合气的形成和发展阻及燃烧过程有着决定性影响i 州，g d i 汽 油机燃烧系统中采用的气流组织形式主要有涡流、滚流两种，它们的生成和大小受进气道 的设计、进气门的形状、缸径冲程比和燃烧审形状等因素影响。 涡流的旋转轴线平行于气缸中心线，特点是生存期较长，在缸内的径向发散少，对保 持混合气的相对集中和分层有利，它往往结合挤流束促进燃油蒸发，常用于喷雾引导的燃 烧系统中；滚流的旋转轴线垂直于气缸中心线，便于油柬的纵向引导，且容易转变为小尺 度的紊流米促进油气混合，近壁流速较高利于壁面油膜的蒸发但在燃烧室的曲面引导下 函 江苏大学硕士学位论文 易衰减成大尺度的二次滚流结构，很难维持稳定的混合气分层，常用于喷油器和火花塞远 距离布置的壁面引导型燃烧系统和气流引导型燃烧系统中。 z h a o t l 5 】等人分别对采用涡流进气的喷雾引导型燃烧系统和采用滚流进气的壁面引导 型燃烧系统的实际发动机进行研究，结果表明二者在空燃比为3 5 - 4 0 的中小负荷区时性能 水平相当，而在空燃比为2 0 3 0 的较高负荷区时，以涡流为主的燃烧系统更易发生燃烧不 稳定现象，同时碳烟的排放量也相对较高。 ( 3 ) g d i 汽油机空燃比的控制策略 g d i 汽油机空燃比的控制策略如表1 3 所示。 表1 3g d i 汽油机空燃比控制模式表 t a b l e1 3g d ic o n t r o ls t r a t e g i e sa c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o nm o d e 1 ) 低负荷时，要求发动机具有良好的燃油经济性，通常在压缩行程末期喷油，并通 过活塞顶部曲面和气流运动限制燃油扩散，使可燃混合气集中在火花塞附近，而火花塞外 周部的极稀薄混合气与层状空气则形成了分层混合气，实现分层燃烧的控制模式。 在低负荷工况时，节气门保持全开，发动机在保持进气量基本不变的情况下，通过改 变每循环的喷油量改变空燃比的大小，即采用“变质调节 的方式对负荷进行调节。同时， 节气门全开减少了发动机的泵气损失，过量的空气还会吸收气缸壁面上的热量，降低了热 损失，从而改善了低负荷时的燃油经济性。 由于在压缩行程术期才开始喷油，混合气形成时间非常短，而且燃油要恰好喷在活塞 顶部凹坑内，所以对燃油雾化质量要求高，同时油束应尽可能集中。此时活塞正处于上升 过程中，缸内压力很大，迫使燃油喷射所需的压力增大。喷油压力越大，索特平均直径 ( s a u t e rm e a nd i a m e t e r ，s 加) 越小，雾化程度越高。随着活塞的上升，液滴在运动过程 中受到的阻力不断增大，液滴运动速度很快衰减，贯穿距离小。 2 ) 高负荷时，要求发动机具有良好的动力性，通常在进气行程早期喷油，使燃油在 整个燃烧室内均匀扩散，实现均质燃烧的控制模式。 在高负荷工况时，空燃比被控制在1 4 7 左右【1 6 1 。通过改变节气门的开度调节进入气缸 的空气量，同时改变喷油量，即采用“变量调节”的方式对负荷进行调节。该控制模式下， 油束的贯穿度应大一些，以便扩大油束在气缸内的分布范围，使其有足够的空间和时间形 6 江苏大学硕士学位论文 成均质混合气。但是，为了减少油束沾湿活塞和气缸壁，喷油压力不可以太高。 表1 4 所示为几种典型的g d i 燃烧系统的主要设计参数和特征。 表1 4 典型g d i 燃烧系统的主要设计参数和特征 t a b l e1 4t h em a i nd e s i g np a r a m e t e r sa n dc h a r a c t e r so fs e v e r a lt y p i c a lg d ic o m b u s t i o ns y s t e m s 1 4g d i 汽油机燃油喷射系统概述 燃油喷射特性对g d i 汽油机性能有着重要影响。因此，国外汽车公司和研究机构采用 精度高、响应快的柔性电控手段，结合新一代的高压喷油器、三维发动机工作过程模拟计 算及先进的诊断测试技术，进行g d i 汽油机燃油喷射系统的设计。汽油高压共轨喷射系统 加电磁驱动喷油器被认为是满足缸内灵活喷射要求的喷射系统之一1 1 7 1 。 ( 1 ) g d i 汽油机对燃油雾化质量和喷油压力的要求 g d i 汽油机将汽油直接喷入气缸内，燃油雾化时间非常短。只有具备较高的喷雾质量， 才可以使燃烧过程迅速完成，并使h c 排放满足排放法规的要求。对p f i 汽油机而言，喷 雾液滴的s m d 只需达到2 0 0 k t m ：而对大多数的g d i 汽油机来说，要想实现较低的未燃 h c 排放和循环变动，喷雾液滴的s m d 需小于2 5 k t m ，9 0 的燃油粒度( d v 9 0 ) 不超过4 5 w n 。 为了达到上述的粒径要求，g d i 汽油机必须具备较高的喷油压力。提高喷油压力，可 以减小喷雾粒径，改善燃油雾化质量。g d i 汽油机的喷油压力一般达4 - 1 3 m p a 1 8 】，并且有 7 江苏戈学硕士学位论文 不断增大的趋势如宅马公司开发的g d i 汽油机存僳1 i e 经济性、动力性n 排放达标的情况 下，已经将喷油压力提高到了2 0 m p a 。 ( 2 ) 高压供油泉 与柴油相比，汽油的粘度小，商压油管内的m 力波动较大，柱搴副的磨损也较大。传 统柴油机用柱塞泵的性能和耐久性都不能满足汽油高压喷射的要求，冈此并人汽车公司都 研发了g d i 汽油机专用的高压供油泵。 罔12 所小为b o s c h 公卅牛产用j ：人众轿车f 的商压供油象，泵油门三山可以达到 1 5 m p a ，高压燃油泵通过一个滚轮式挺朴_ 束传动，井第次采用力形四危【轮驸动。叫个 ，1 i 起的相位与进排。l 凸轮相位错”，从嘟使配4l 传动机构中的链条力降低3 0 左右：另外， 采用小的凸轮升秤每次供给燃油共轨的竹次体积油量减少，高压范内的压力波动也随 之降低。该种高j k 供油泵在工作效率、寿命、制造成奉和紧凑性上电有着明丝的优势，有 望得到广泛廊用。 # 自o # 圈l2 b o s c h 开发的高压供油泵 f i g u r e1 2b o s c h 蛳g l - p r e s s u r ed e l i v e r yp u m p ( 3 ) 喷油器 在g d i 汽油机燃油喷射系统c p 使用j 】勺喷油器土耍有j 种彤式刚：多孔喷油器、# l y l 轴 引式喷泊器和内jr 旋流式喷油器，如图1 3 所示。g d i 汽油机的燃 i 喷油压力远低r 柴油 机，多孔喷油器在使丌 过程中喷嘴易积炭堵塞，且喷雾质量没有旋流式峨油器好( 如嘲1 4 所示) 。仙o r t m a n n l 2 1 1 在对多孔喷湖器进行研究时指 ，油束的贯穿距高叫以通过周刚压力 的变化进行拧制。外丌啦孔轴针式喷油器取消了压力审容积，可产生空锥形喷雾，改善喷 鸯 江苏大学硕士学位论文 雾质量，燃油的旋流运动兼顾了对喷雾锥角、贯穿距离和燃油粒度的不同要求，但其密封 性较差。内开旋流式喷油器依靠内部旋流腔( 如图1 5 所示) 产生的旋转涡流可使燃油雾 化，有效地减小了油束的贯穿距离，此种喷油器形成的喷雾质量良好，容易造成空气的卷 吸，加噶空气与喷雾的相瓦作用，加快燃油的雾化蒸发，能较好的满足g d i 汽油机对喷雾 的要求，h 前应用较为广泛。 曲 呈柚 星 卿卿鳓 时多孔式b ) 外开轴针式0 内开旋流式 图1 3 g d i 常用喷油器种类 f i g u r e l 3 t h r e e n p e s o f i n j e c t o r s u s e d m g d i 燃衡 目1 5 内开旋流式喷油器内部的旋流腔i z 3 1 f 蝉i r e l 5 e x a m n k o f s w i r l p o r t s i na i n w a r m y o m , i ”g “曲- p ms w i r l - t o f 图1 6 所示为燃烧室压力对内开旋流式喷油器喷雾结构的影响。内开旋流式喷油器可 根据g d i 汽油机不同负荷时的要求提供所需的喷雾形状：如前面所述，高负荷时采用均质 充量的控制模式，g d 汽油机在进气行稃早期喷油，燃烧室压力较小，喷雾呈空心圆锥结 构。加快了喷雾在燃烧室内的扩散，扩大了喷雾与周围空气的接触面积，使燃油与空气在 燃烧室内充分混合，形成均质混合气；低负荷时采用分层充量的控制模式，g d i 汽油机在 压缩行程束期喷油，燃烧室压力较大，喷雾呈紧凑的实心圆锥结构，火花塞附近形成了较 浓的混合气，而远离火花塞区域的稀薄混合气与层状空气则形成了分层混合气。 江苏大学硕士学位论文 图圈 15g d i 汽油机喷雾及混合气形成的仿真研究现状 在o d i 汽油机的开发设计过程中，对混合气形成及发展规律的掌握是关键和核心技术。 为了能在适宜的点火时刻、在火花塞周围形成稳定的可燃混合气，g d i 汽油机对喷雾过程 在时间和空间历程上的精确控制提出了更高的要求。喷雾质量的优劣直接影响发动机的燃 烧过程及性能指标。因此国外从上世纪9 0 年代就开始了对g d i 汽油机燃油喷雾和混合气浓 度场的研究。 l i p p c r t ”】等人模拟了多组分燃油喷雾中燃油组分对喷雾发展的影响：a d c v i t a 和 l a l l o c c a 2 6 1 在定容燃烧室中研究了不同参数对g d i 汽油机喷雾特性的影响，并修改t r a v a 一3 v 中的破碎子模型进行喷雾模拟，结果表明：只有当燃烧室背压较低时，模拟结果和实 验结果吻合较好；m b a d a m i 2 ”1 等人建立t g d 高压旋流喷油器喷雾的数学模型精度达到 合理的范围，模拟结果与实验结果吻合较好：k e n n a i t o h 和y a s u o t a k a g i 勰 将模拟与实验结 合，对g d i 汽油机缸内的流体运动咀及喷雾参数进行丁优化；y o n g y i 和c h r i s t o p h e r m d c m i n c o 利用f l u e n t 软件对g d i 汽油机的燃油雾化和蒸发进行研究得出了喷油压力和 喷油定时对缸内混合气浓度场的影响。r o s s e l l ar o t o n d i 和o i n oi k l l a p o l 在定容燃烧室进行了 喷雾特性实验，同时对所选择的数学模型加以验证，用n c f3 d 软件模拟了燃油与空气的相 互作用和燃油雾化对缸内分层燃烧和混合气分布情况的影响；m i o k j o h 3 1 l 等人运用k i v a 软 件研究了不同喷油参数对缸内流场和混合气浓度场分布的影响，并对燃烧室形状进行了优 化设计；l f a n 3 2 1 等人对部分负荷时g d i 汽油机的混合气制各和分层燃烧进行仿真研究，分 析了喷射角度、滚流比对缸内浓度场以及燃烧过程的影响；s a n gj i n h o n 一”1 等学者利用 k 1 v a - 3 v 软件模拟分析了分层混合气的形成过程以及滚流比、喷油提前角对分层稀薄燃烧 江苏大学硕士学位论文 的影响；也有一些研究人员通过对汽油液滴的破碎、喷雾蒸发机理的研究提出了一些新的 模型，如：n a i t o h 和t a k a g i 等人建立了“s s p ”模型，h a r t 3 5 】等人建立了“s h e e t 模型， d e n n i s 3 6 1 等人建立了“l p b 破碎模型，对空心汽油喷雾特性及喷雾与空气的相互作用进 行了模拟研究，与实验结果一致。上述喷雾模型的不足之处是都包含一些需试验确定的参 数，还有待进一步的完善。 相比之下，国内对g d i 汽油机的燃烧、排放和控制方面的研究工作起步较晚，主要集 中在模型的建立和测试系统的研制方面。只有少数高校对g d i 汽油机的喷雾特性及燃烧过 程的组织进行了较为深入的研究，如： 清华大学的王燕军【3 7 】开发t - - - 阶段喷射的g d i 汽油机实验样机，进行了燃烧系统设计 并对中低负荷、中低转速下的分层混合气控制和缸内气流运动等方面进行了研究，利用 k i v a - 3 v 软件研究了喷射策略、喷油参数、发动机转速、空燃比等对混合气形成的影响； 西安交通大学的高剑【3 8 1 等人应用修正的k i v a 3 v 软件对g d i 汽油机燃油喷雾和混合气分层 燃烧过程进行模拟，分析了喷油器位置、缸内逆向滚流强度和喷油时刻对火花塞附近混合 气浓度的影响；上海交通大学的杨迪【3 9 】等人以一台家用轿车发动机为研究对象，进行缸内 过程的三维模拟计算，就喷油参数对g d i 汽油机缸内直喷的影响进行了分析，研究了喷油 定时与喷油角度的作用；清华大学的孙勇【加】用a v l - f i r e 软件模拟缸内直喷式汽油机混合 气形成与燃烧，得出了燃烧室压力、喷雾锥角、喷雾贯穿距以及喷雾液滴之间的相互关系； 吉林大学的陈芳菲【4 1 】用a v l - f i r e 软件研究了喷油定时、滚流比、喷雾位置对缸内浓度场 的影响。 另外许多专家学者通过简单地利用原柴油机的相关模型，对不同气流运动、发动机转 速和喷雾运动的相互作用作了模拟研究，对喷油定时和点火时刻的确定、喷雾锥角和贯穿 距的优选等得出了有益的结论【1 1 】。但是汽油和柴油在燃油性质、喷油压力级别、油滴速度、 油滴粒度范围等方面有着明显差别，直喷汽油机并不能直接引用柴油机上已取得的经验和 理论，必需对其进行专门的研究。对g d i 汽油喷雾发展和混合气形成的模拟，现今尚未见 到有较成熟的理论或经验做指导，这方面的研究还处于发展阶段。 1 6 本文研究意义及主要研究内容 对汽油机缸内直喷技术的研究，国外的发展已较为成熟，并有多款g d i 汽油机问世， 而国内对g d i 汽油机的研发才刚刚起步，对g d i 汽油机燃油喷射系统的研究则更显不足。 1 1 江苏大学硕士学位论文 尽管国内对g d i 汽油机的喷雾特性已经了开展了很多仿真研究工作，但在喷雾仿真过程中 都只引入了喷嘴，并未涉及具体的喷油器结构，喷雾液滴的初始化也仅仅是通过对软件内 置的参数进行设置，没有考虑喷油器内部流动的影响。目前，在g d i 汽油机中广泛采用的 是高压旋流喷油器，其头部设置有独特的旋流腔，燃油在流经旋流腔时可自动形成涡流， 使喷雾在喷孔出口处自动形成一定锥角，可见，高压旋流喷油器内部的流动特性直接影响 着其喷雾特性，研究高压旋流喷油器内部流动及结合喷油器内部流动特性对喷雾特性开展 研究非常必要。 本文以国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) “轿车直喷汽油机( g d i ) 开发”项目为 背景，开展高压旋流喷油器内部流动及喷雾特性的联合仿真研究，对高压旋流喷油器采用 多个旋流腔方案时获得的喷雾特性进行预测、分析，为缸内直喷汽油机喷雾过程研究提供 参考。主要研究内容如下： ( 1 ) 利用g d i 汽油机燃油喷射系统试验装置，研究高压旋流喷油器流量特性，分析高 压油轨压力和喷油脉宽对喷油量的影响。 ( 2 ) 建立高压旋流喷油器旋流腔内部气液两相流计算模型，利用a v i , - f i r e 软件对其 进行模拟计算。并应用高压旋流喷油器流量特性试验的结果对多相流模型建立的正确性进 行验证。 ( 3 ) 建立高压旋流喷油器喷雾模型，运用a v l - f i r e 软件，引用高压旋流喷油器旋流 腔内部多相流计算结果，在定容燃烧室内研究喷油压力、燃烧室压力、燃烧室温度及导流 板、旋流板的结构参数对喷雾特性的影响。 江苏太学硕士学位论文 第二章高压旋流喷油器流量特性试验研究 喷油器的流量特性是指喷油器喷出的燃油量随时f u j 的变化关系，是喷油器最重要的参 数之一，通常用一定喷油循环下的喷油量表示。本章介绍了g d i 汽油机燃油喷射系统试验 装置并对高压旋流喷油器的流量特性进行了试验研究。 21 高压旋流喷油器结构及工作原理 喷油器是g d i 燃油喷射系统中最关键和虽复杂的部件。它的作用是根据e c u 发出的控 制信号，通过控制电磁阀的开启和关闭，将高压油轨中适量的燃油在最佳的喷油时刻，以 一定的喷油压力喷入燃烧宦，使其与宅气混合形成可燃混合气。 g d 汽油机的喷射系统主要采用汽油高压喷射模式，图2 1 所示为本试验采用的电磁 w u t z 窖 1 接头2 针阎回位弹簧3 - 电磁线圈牟衔铁5 - 针阉审旋流板7 针恻座8 - 喷孔 圈2l 高压旋流喷油器结构示意图 f 谵i l r e 2 1 m e s c h c r a a f i c d i a g r a m o f h 曲一畔剐”s w i r l o 咖 1 3 嵝 、k 江苏走学硕士学位论文 驱动的内开式单孔高压旋流喷油器结构简图。当e c u 发出喷油指令时，电磁线圈通电，电磁 线圈产生的磁场将吸引衔铁上移针阀跟随衔铁一起向上移动，汽油在高压的作用下流经旋 流板形成旋流后从喷孔喷出；当电磁线圈断电时，电磁线圈对衔铁的吸力消失，衔铁在复位 弹簧的作用下带动针阀落座，停止喷油。因此，在针阀升程、喷孔直径和喷孔内外压差一定 的条件下，喷油器的喷油量仅由电磁线蹦的通电持续时间( 喷油脉宽) 决定。 22 高压旋流喷油器流量特性试验 2 21 g d l 汽油机燃油喷射系统试验装置 图2 2 所示为g d i 汽油机燃油喷射系统试验装置结构简图该试验装置可用于对g d i 汽油机喷油器的流量特性研究。由图2 2 可知，高雎供油泵在驱动机构驱动f ，将燃油从 油箱中吸出，压力提高后送入高压油轨，喷油器与高压油轨相连，控制器对喷油器喷油脉 宽、高压油轨压力及高压供油泵供油脉宽等进行控制。 幽2 2 g d i 汽油机燃油喷射系统试验装置结构倚嘲 f i g u r e 2 2 t h e s k e t c h o f g d i f u c l i n j c c d e n s y s i c m t e s t d e v i c e s 图2 3 所示为g d i 汽油机燃油喷射系统试验装置照片。 圈2 3 0 d i 汽油机燃油喷射系统试验装置 f i g u r e 2 3 t h e g d if u e l i n j c c c l o n s y s t e m t e s t d e v i c e s 1 4 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 高压供油泵 高压供油泵用来向高压油轨提供高压燃油，保证喷油器的喷油压力达到目标值，以满 足g d i 汽油机对燃油雾化质量的要求。 高压供油泵结构如罔2 4 所示，低压油腔与高压油腔之间油路的通断由电磁阀体和控 制阀体控制。柱塞下行过程中，电磁阀通电，电磁阀体顶针顶出，使控制阀平面a 与电磁 阀部件平面b 离开一段距离，低压油腔与高压油腔之间的油路连通，低压油腔巾的燃油流 1 e 压油腔 磊压袖腔 图2 4 高压供油泵结构示意圈 f i g u r e 2 4 t h e s c h c r a a t i c d i a g r a m o f h i g h - p r d s s u r e p u m p 1 5 江苏大学硕士学位论文 入高压油腔；柱塞上行过程中，电磁阀断电，电磁阀体顶针缩回，控制阀平面a 与电磁阀 部件平面b 贴合，低压油腔与高压油腔之间的油路关闭，高压油腔中的燃油被压缩后从出 油口流入高压油轨。 ( 2 ) 高压油轨 高压油轨的任务是将高压供油泵送来的汽油输送给各缸喷油器，起到储油蓄压、减缓 油压脉动的作用。高压油轨应具有一定的容积，以削减高压供油泵的供油压力波动和每个 喷油器由喷油过程引起的压力振荡，油轨中的压力波动应控制在较小范围内。但其容积也 不能太大，否则不能保证高压油轨有足够的压力响应速度，以快速产生所需喷油压力。 高压油轨的结构如图2 5 所示。进油口接头与高压供油泵相连，出油口接头与喷油器相 连。高压油轨上安装有轨压传感器和限压阀。轨压传感器用来实时监测高压油轨中的油压， 随时向e c u 提供高压油轨的压力信号；限压阀保证高压油轨在出现压力异常时，迅速将高 压油轨中的压力进行释放，以保证高压油轨的压力不超出最大限值。 高 图2 5 高压油轨结构不意图 f i g u r e2 5t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fh i g h p r e s s u r eo i lr a i l ( 3 ) 控制系统 图2 6 所示为g d i 汽油机燃油喷射系统控制器照片。该控制器主要是对高压旋流喷油 器的喷油脉宽和高压油轨的压力进行控制。另外，为方便试验进行，采用了电控驱动系统 控制及监控平台( 如图2