（动力机械及工程专业论文）fai二冲程缸内直喷汽油机的研究.pdf

中文摘要 二冲程摩托车因为排放差油耗高被市场逐渐冷落，在技术上解决二冲程汽 油机排放油耗问题的关键是采用电控燃油缸内直喷燃烧系统。 本文将成本低、简单可靠的新型脉冲式f a i ( f r e ea r m a t u r ei n j e c t i o n ) 燃油喷射单元应用于9 8 c c 排量的二冲程汽油机，进行了电控燃油缸内直喷燃烧 系统的研究，开发成功了发动机样机，并装载于一台a x 一1 0 0 型摩托车样车，进 行了初步整车试验。 以原化油器发动机为基础，重新设计改造了一个适合缸内直喷的进气、供 油和燃烧室系统。并且通过大量的发动机台架试验，分析了喷油相位和喷油器的 结构参数、燃烧室形状、旁通孔的大小等参数对发动机低速低负荷工况下的性能、 燃油消耗和排放的影响规律；通过最后的优化和实际的考虑，获得了最终的二冲 程直喷发动机样机的控制 i a p 图，试验研究了其动力性、燃油经济性以及排放性 能，还做了陔样机和原化油器发动机的动力性能、燃油消耗率和排放性能的比较。 利用a v l 公司丌发的专业的发动机流场分析软件f i r e 和动网格的技术进行 了二冲程发动机缸内直喷分层充气的多维数值模拟，从理论上探讨和研究燃烧室 形状和喷油器的位置和方向、喷油相位和喷油液滴的索特平均直径s m d 对直喷发 动机的分层充气的影响。理论模拟研究结果表明，直喷发动机要实现较好的分层， 需要很高的燃油雾化程度，和优化燃烧室的结构和喷油器位置等参数。由理论计 算结果得到，喷油器在缸盖上的位置为1 5 度左右( 与中心竖直垂线方向) ，喷油 相位为上止点静9 5 度( 排气口刚刚关闭) 左右，分层充气效果较好；两种燃烧 室( 半球形和锥形) 都有一定的分层效果，半球形燃烧室则略好一些。 发动机台架试验研究结果表明，在怠速工况下，隔次喷射可以有效降低发 动机的燃油消耗油量和h c 排放水平；在低速低负荷工况下，大压力、小升程的 喷油器，通过更好的雾化，可以更好的改善h c 排放和燃油消耗。旁通孔的截面 积越大( 一定范围内) ，残余废气量就越小，泵气损失也越小，就越能改善h c 排 放和燃油消耗，但是扭矩难以调节，不能得到稳定的低怠速，难以适应实车的应 用。旁通孔的截面积比较小，则斜锥形燃烧室较为适合，h c 排放和燃油消耗改 善较好：反之，较大的旁通孔则半球形燃烧室的h c 排放和燃油消耗改善好。而 在大负荷及高速工况，在不导致喷油直接进入排气口的前提下，尽可能提前喷油 可以基本实现均质燃烧，获得大扭矩，同时大幅度降低燃油消耗率和h c 排放量。 将试验样机装在摩托车上的整车初步试验结果表明，开发的f a i 二冲程缸 内直喷摩托车，能够正常行驶，加速性能良好，启动容易，h c 排放浓度比原化 油器车有大幅度降低。但怠速转速偏高，怠速稳定性也有待进一步提高。 总之，f a i 缸内直喷技术，可以完全消除二冲程汽油机的燃油短路的现象， 极大地改善大负荷工况性能。在低速低负荷工况下，通过实现一定程度的分层燃 烧，使得燃油消耗和h c 排放得到了较大的改善，但是还没有达到很理想的状态。 在整个运行工况范围内燃油消耗率降低约2 0 一3 0 ，h c 排放改善很多。整车的过 渡工况响应良好。 关铡! 司：缸内直喷二冲程汽油发动机f a i 燃油喷射系统燃油消耗排放缸内流场 模拟 a b s t r a c t t w o s t r o k ee n g i n ef o rm o t o r c y c l e si sr e a c h i n ga l li m p o r t a n ta p p o i n t m e n tf o ri t s s u r v i v a ld u et oi t s h i g h e m i s s i o nl e v e la n dp o o rf o e le c o n o m y e l e c t r o n i c a l l y c o n t r o l l e di n - c y l i n d e rd i r e c tf u e li n j e c t i o ns y s t e mi sb e c o m i n gt h ek e ys o l u t i o nt o s o l v et h e s ee m i s s i o na n df u e lc o n s u m p t i o np r o b l e m s as i m p l e r e l i a b l ea n dc o s te f f e c t i v ef a lf f r e ea r m a t u r e1 1 1 j e c t i o n ) s y s t e mi s a p p l i e dt oa9 8 c ct w o - s t r o k ee n g i n ei n t h i sd i s s e r t a t i o n n l ec o m b u s t i o ns y s t e mf o r d i s li sd e v e l o p e d ；ap r o t o t y p ee n g i n ei sd e s i g n e da n dt h e ne q u i p p e do na na x 一1 0 0 p r o t o t y p em o t o r c y c l e ；a n dp r e l i m i n a r yr o a dt e s t sa r ep e r f o r m e d n e wg a se x c h a n g ep a r t s ，f u e li n j e c t i o ns y s t e ma n dc o m b u s t i o nc h a m b e ri s d e v e l o p e d o rr e d e s i g n e d ，b a s e do nt h eo r i g i n a lc a r e b u r e t e de n g i n e ag r e a tn u m b e ro f d y n a m o m e t e re x p e r i m e n t s a r ec a r r i e do u tt o i n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fs t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n j e c t o r , c o n f i g u r a t i o no fc o m b u s t i o nc h a m b e r , d e s i g no ft h e b y p a s sv a l v e a n df u e l i n j e c t i o np h a s i n g o nt h ep e r f o r m a n c e ，e m i s s i o n ，f u e l e o n s u m p t i o no ft h ee n g i n ed u r i n gl i g h tl o a do p e r a t i n gc o n d i t i o n s a f t e r af i n a l o p t i m i z a t i o na n do t h e rp r a c t i c a lc o n s i d e r a t i o n s t h ec o n t r 0 1m a p sf o rt h et w o s t r o k e d i s ip r o t o t y p ee n g i n ea g eo b t a i n e d 1 1 1 et o r q u ep e r f o r m a n c e f u e lc o n s u m p t i o na n d e m i s s i o ne c o n o m yo ft h ee n g i n ei st e s t e da n dc o m p a r e dw i t ht h o s eo ft h eo r i g i n a l c a r b u r e t e de n g i n e n l ec h a r g es t r a t i f i c a t i o no ft h et w o s t r o k ed i s ie n g i n ei ss t u d i e db y m u l t i d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n u s i n gt h ec f ds o f t w a r ef i r ew i t hm o v i n g m e s h t e c h n o l o g y t h ee f f e c t so fc o m b u s t i o nc h a m b e rd e s i g n ，s p l a yp o s i t i o na n d o r i e n t a t i o n , i n j e c t i o nt i m i n ga n ds m do fi n j e c t e dd r o p l e t so nt h ec h a r g es t r a t i f i c a t i o n a r ei n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l y t h er e s u l t ss h o wt h a th i 曲l yf i n ef u e la t o m i z a t i o na n d t h ec o m b i n e do p t i m i z a t i o no fc h a m b e rs t r u c t u r ea n di n j e c t o rp o s i t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a r er e q u i r e dt or e a l i z eb e t t e rc h a r g es t r a t i f i c a t i o n a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，b e t t e r c h a r g es t r a t i f i c a t i o ni sa c h i e v e dw h e nt h ei n j e c t o ri sm o u n t e do nt h ec y l i n d e rh e a d w i t h1 5 0t ot h ec e n t r a lv e r t i c a la x i s ，a n dt h ei n j e c t i o nt i m i n gi ss e tt ob eb t d c9 5 0 ； t w od e s i g n e dc h a m b e r ( h e m i s p h e r i cs h a p ea n dt a p e r e ds h a p e ) a r eb o t ha p p l i c a b l e ， w h i l et h eh e m i s p h e r i cc h a m b e ra c h i e v e sb e t t e rc h a r g es t r a t i f i c a t i o n r e s u l t so fd y n a m o m e t e rt e s t sd e m o n s t r a t et h a t ，t h em e t h o do fi n t e r m i t t e d i n j e c t i o nc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h eh ce m i s s i o na n dt h ef u e lc o n s u m p t i o nd u r i n g i d l i n go p e r a t i o n ；i n j e c t o l f sw i t hh i g hp r e s s u r ea n ds m a l ll i f tc a l lp r o v i d eb e t t e rf u e l a t o m i z a t i o n ，r e s u l t i n gi n l e s sh ce m i s s i o na n df u e lc o n s u m p t i o nd u r i n gl i 曲tl o a d o p e r a t i o n s b i g g e rs e c t i o na r e ao f t h eb y p a s sc a nr e d u c et h ea m o u n to fr e s i d u a lg a s e s a n dt h ep u m p i n gl o s s ，w h i c hi nc o n s e q u e n c ei m p r o v e se m i s s i o na n df u e lc o n s u m p t i o n , b u ti tc a na l s oc a u s et h et o r q u eo u t p u td i f f i c u l tt oa d j u s t ，r e s u l t i n gi nu n s t a b l ei d l i n g s p e e d w i t hs m a l l e rb y p a s ss e c t i o n , t h ei n c l i n e d - t a p e r e dc h a m b e ri sm o r ea p p r o p r i a t e t oo b t a i nb e t t e re m i s s i o na n df u e lc , o n s u n l p i o n , w h i l et h eh e m i s p h e r i cc h a m b e ri s m o r ea p p r o p r i a t ew i t hab i g g e rb y p a s ss e c t i o n d u r i n gh e a v yl o a do p e r a t i o n s ，t h e i n j e c t i o nt i m i n gs h o u l db ea d v a n c e da sm u c ha sp o s s i b l e ，g i v e nt h el i m i tt h a tt h ef u e l i n j e c t e d c a r ln o td i r e c t l yp a s so u to ft h ee x h a u s ep o r t ，t or e a l i z eh o m o g e n o u s c o m b u s t i o nt op r o v i d eh i g h e rt o r q u e o u t p u ta n dr e d u c et h eh ce m i s s i o na n dr u e l c o n s u m p t i o nt oal a r g ee x t e n t p r e l i m i n a r yr o a dt e s t sa f t e rt h ep r o t o t y p ee n g i n ew a se q u i p p e do nt h ea x 一1 0 0 m o t o r c y l es h o wt h a t ，t h ed e v e l o p e dt w o - s t r o k ed i s lm o t o r c y c l ea c h i e v e sg o o d d r i v a b i l i t y , s m o o t h l ya c c e l e r a t i o n ，e a s ys t a r t , a n ds i g n i f i c a n tr e d u c t i o no f h ce m i s s i o n c o m p a r e dt ot h eo r i g i n a lc a r b u r e t e de n g i n e h o w e v e r ，t h ei d l i n gs p e e di sal i r l eh i 曲， a n dt h es t a b i l i t yo fi d l i n gr e q u i r e sf 1 h t h e ri m p r o v e m e n t i nac o n c l u s i o n ，t h ef a is y s t e mc a l lc o m p l e t e l yr e m o v et h ef u e ls h o r t c i r c u i t i n g , a n dg r e a t l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c ed u r i n gh e a v yl o a do p e r a t i n gc o n d i t i o n s d u r i n g l i g h tl o a do p e r a t i o n s t h ef u e lc o n s u m p t i o na n dh ce m i s s i o na r er e d u c e db ya d o p t i n g c h a r g es t r a t i f i c a t i o n ，b u ts t i l ln e e df u r t h e rd e v e l o p m e n t w i t h i nt h ef u l lo p e r a t i n g r a n g e ，t h ef u e lc o n s u m p t i o ni sr e d u c e db y2 0 - 3 0 t h ep r o t o t y p em o t o r c y c l es h o w sa g o o dp e r f o r m a n c ed u r i n gt r a n s i e n to p e r a t i o n s k e yw o r d s ：d i r e c ti n j e c t i o n ，t w o s t r o k eg a s o l i n ee n g i n e ，f a is y s t e m ，f u e l c o n s u m p t i o n ，e x h a u s te m i s s i o n ，f l o wf i e l ds i m u l a t i o n 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，也不包含为获得苤洼盘堂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。 学位论黼躲劳，礴枷字慨郴年u 月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨凄盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁生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) 学位做作者繇缪，疡拔 导师始 饷醐 签字r 期：沙。歹年妒月b 日签字开期：踟嘶厂月，f 日 第一章绪论 第一章绪论 【内容提要】本章详细介绍了汽油机缸内直喷燃烧技术的发展历史和不同发 展阶段采川的控制策略和该直喷技术的优、缺点；还系统的介绍了二冲程缸内直喷 燃烧技术的各种形式和困内外的研究现状，以及本课题的研究目的、意义和创新点， 以及所作的研究_ t 作。 1 1 引言 随着人们的脚步迈入二十一世纪，全球的经济飞速发展，越来越受到两大 难题的困扰：同益严重的环境问题和能源危机。特别是机动车的排放污染和燃油 消耗问题越来越受到各个国家的重视。世界各国的科学家们都在竟相开发各种新 技术，以改善发动机的燃油消耗和尾气排放污染。但是，以前多年来的研究结 果始终是在燃油消耗和尾气排放之间形成一种折衷和妥协：改善燃油消耗则必须 要靠牺牲排放来取得，或者排放的改善则必定使得燃油消耗的恶化。 而人们早就注意到了由于燃烧方式的不同，由于采用扩散分层燃烧，柴油 机的燃烧效率高，燃油经济性好，但是工作粗暴；而汽油机则采用的预混合均质 燃烧，燃烧平稳，但是燃油经济性则差强人意。于是就有了将两者的优点结合的 思想的产生，这也许就是最初的汽油机缸内直喷技术( d i s i ) 的思想出现。 随着电子控制技术和制造技术的日益成熟，使世界各地的内燃机研究者们 终于看到汽油机缸内直喷技术( d i s i ) 实现其最大优点的可能。因为精确的电控 燃油缸内直喷技术可以大幅度的改善燃油消耗，同时还能降低各种尾气排放，尤 其是可以降低现在最令人头疼的温室气体c 0 2 排放，这是目前证大量使用的其 它技术所不能做到的 i 9 1 。 1 2 缸内直喷技术 1 2 1 缸内直喷技术的发展阶段 第一个阶段：( 1 9 5 0 ) 这个阶段直喷汽油机基本上采用的是机械式直喷系统、早喷策略，在进气 冲程就将燃油喷入汽缸内，进行均质混和，其目的并不是想得到良好的燃油消耗， 而是想取得更好、更强劲的动力性能，因为当时化油器的技术并不理想。 1 9 5 4 年，奔驰b e n z3 0 0 s l i i o 采用的机械式直喷系统( 图卜1 所示) 就是最 为典型的代表，克服了当时化油器的固有缺点，但是由于尚未有电控喷射手段， 机械式直喷系统的不可调节和当时的制造技术的限制，喷油压力太小，雾化较差， 第一章绪论 这样缸内的混合气不可能太好，所以燃烧就不会很理想。开发的发动机性能和排 放并不理想，因而没有得到实际的应用。 图卜1b e n z3 0 0 s l 汽油机直喷燃烧系统州 图卜2 本田公司c v c c 燃烧系统”l 第二个阶段： ( 1 9 5 0 一1 9 8 0 ) 为了使直喷发动机取得更好的燃油消耗的潜力，直喷发动机将在没有节气门 的时候工作在稀薄的条件下，设计为分层充气，在火花塞附近有很浓的混和气， 这阶段的代表为，f o r d 公司的p r o c o 系统，t e x c o 公司的t c c s 系统【9 】 h o n d a 公司的c v c c 系统【”j ( 图1 2 图1 - 4 所示) 。 l n d c e r o n k 旺z l 1 甜t 璁声 图1 _ 3 福特公司的p r 0 ( x ) 燃烧系统“i图1 _ 4t e x c 0 公司的t c c s 燃烧系统 9 1 但是，以上这些系统未能大批量生产，其原因是： 第一章绪论 1 因为没有彻底的完全燃烧，产生很高的h c 排放； 2 有限的运行范围，因为这些系统大多采用涡流来加强油气混和，而涡流是 随转速的增加而成正比增长的，所以受转速的限制： 3 火花塞的污染，由于火花塞和喷油器之自j 的距离很短： 4 由于受机械式直喷系统的喷射时间范围的限制而导致很差的性能； 5 因为在火花塞附近的过浓的区域而导致有大量的积炭产生，而且还有活塞 顶表面的液体油膜导致的积炭的积累： 6 燃油溅湿缸壁导致机油的稀释。 第三个阶段：( 1 9 9 卜至今) 在这个阶段，节省燃油消耗已经变成汽车行业竞争中的一个最重要的目标， 因为它是节能和减少温室气体排放c 0 2 的关键；此时，高压力燃油喷油技术和 广泛使用的熟练的电子控制技术使得直喷技术日益成熟起来。 这一阶段的缸内直喷机型，除了福特等少数机型仍采用单一的均质预混燃 烧模式外，大都根据工况不同而采用了不同的混合燃烧模式：在中小负荷区域， 通过在压缩冲程后期喷油和燃烧系统的合理配合，形成分层稀薄快燃的混合气， 其空燃比一般可达2 5 5 0 ，极大地提高了汽油机部分负荷下的燃油经济性；而 在大负荷和全负荷工况下，通过较早地把燃油在进气冲程喷入气缸，在点火时刻 形成预混燃烧的均质混合气，保持了原汽油机动力性好的优点：这类发动机如三 菱汽车公司开发的4 g 9 3 型g d i ，丰田汽车公司开发的d - 4 型g d i ，日产汽车公司 开发的n e o d i 型g d l l l 3 】。丰阳的g d i 机型：在中等负荷区域还采用两段喷射技术， 把燃油分两次分别在进气和压缩冲程中喷入气缸，形成界于两者之间的混合气， 据报道可以实现负荷从中小区域向大负荷区的平稳过渡i l4 1 。 第三代直喷发动机的代表( 图卜5 所示) ：三菱、丰田d 一4 、r i c a d o 、n i s s a n 和h o n d a 现在，直喷分层燃烧设计有两种典型的代表： 1 丰嗣公司所用的一个碗形活塞，加上一个涡流控制阀。一个旁置的高压 旋流喷嘴、缸内涡流加上碗形活塞的组合可以保持火化塞附近有较浓的混合气， n i s s a n 用的就是这种设计。 2 三菱公司采用的球形活塞坑和逆向滚流来指导混和气从喷嘴处流向火化 塞，如r i c a r d o ，k i a ，f e v 等公司采用这种设计。 第一章绪论 h o n d a 0 5 1 m a z d a l l 6 1s u b a r u0 7 1 r i c a r d o 1 5 1 a v l 【1 9 】t o y o t a 2 0 l 图1 _ 5 第三代缸内直喷燃烧系统 1 2 2 缸内直喷技术理论上的优点和实际应用研究中发现的缺点 理论上d i s i 的优点： 1 由于没有了节气门，减少了泵气损失，有2 0 的燃油消耗的改善； 2 因为运行在稀薄条件下，缸内燃烧温度较低，减少了热损失； 3 高压缩比带来的高的热效率( 很少的敲缸因为有更多的进气冷却) ； 4 低烷烃的需要； 5 因为充气效率的提高，有接近1 0 的扭矩提高： 6 过渡工况的改善：减速时的燃油切断，加速时的燃油加浓和更精确的空燃 比的控制； 7 更加快速的起动：因为直接的缸内燃油分配，可以减少冷起动的过多的燃 油： 8 可以扩展e g r 的使用限制范围； 9 排放上的好处：可以减少冷起动的h c 排放和c 0 2 的排放。 实际应用中的缺点： 1 尾气后处理的困难：稀薄n o ，催化器的成本较高，技术比较三元催化器来 说，不是很成熟； 2 火花塞的污染，由于火花塞和喷油器之自j 的距离很短； 第一章绪论 3 晚喷h c 排放较高。 早喷h c 排放机理：壁面打湿； 晚喷h c 排放机理： 1 当火焰传播到较稀的区域会发生火焰熄灭的现象，这在均质燃烧时不会发 生( 如果不是太稀的情况下) ： 2 当发动机在稀薄的情况下运行，缸内温度一定会很低，这样导致燃烧后的 氧化处理较为困难：但是均质燃烧稀薄( 比不上d i s i 稀薄) 条件下运行 时缸内温度高些，这样导致燃烧后的氧化好； 3 存在有过浓的区域； 4 有壁面打湿的现象发生，据研究有大约3 0 9 6 的燃油打湿到活塞顶面和缸内 壁面【2 1 , 2 2 1 。 1 3 二冲程汽油机缸内直喷技术 1 3 1 传统化油器式二冲程汽油机的主要优缺点 二冲程汽油机于1 8 8 1 年出现以来，由于其结构简单、升功率高、成本低廉 而广泛应用于摩托车、小型汽车、舷外机和割草机等领域。二冲程发动机没有象 四冲程发动机那样分别长达1 8 0 。曲轴转角以上的排气和进气冲程，其已燃气体 的排出和新鲜混合气( 或空气) 的充进要在下止点附近很短的时间内靠气流流动 形成的扫气过程完成，所以换气方案对发动机性能影响极大。传统的二冲程汽油 机主要有三种换气方案：横流扫气、回流扫气以及直流扫气1 2 3 】( 如图1 - 6 所示) 。 ( a ) 回漉扫气b ) 直流扫气 c ) 横渔扫气 图1 - 6 二冲程发动机的换气方案 。图 第一章绪论 无论那种扫气方式的二冲程汽油机都有共同的缺点：l 、燃油经济性差和未 燃h c 排放过高；2 、怠速、低速低负荷燃烧不稳定、容易熄火。因为传统的化 油器式二冲程发动机中，扫气用的是已经混合好的可燃混合气，而任何扫气方案 中，扫气用气都会或多或少地短路损失，所以燃油经济性差和未燃h c 排放过高 的缺点是不可避免的。而且怠速、低速低负荷扫气不彻底而留下来的残余废气严 重的影响了燃烧的快速进行，容易导致不稳定，甚至熄火。 1 3 2 国外直喷二冲程汽油机进展 图1 - 7 传统化油器和缸内直接喷射系统工作原理图 缸内直接喷射技术理论上可以完全消除新鲜充量的短路流失，因为如果采用 了缸内直接喷射的供油方式，就 可以实现纯空气扫气( 如图1 7 所示) ，待换气过程结束后再喷 油，因此可以极大地改善二冲程 发动机的油耗和排放。缸内直喷 技术在四冲程发动机上的研究比 较多，目的已经有产品上市【1 4 】， 而在二冲程上的应用研究也已经 有十几年的历史了【。 图1 - 8 $ e f i s 喷射系统 第一章绪论 二冲程发动机由于跟四冲程不同的结构特点，由于燃烧方式的改变，气缸盖、 气缸体及活塞型线等主要部件必须经过重新设计，否则无法组织分层燃烧，而且 容易出现拉缸现象。所以二冲程发动机直喷( g d i ) 系统的控制策略和四冲程是 不同的，四冲程的直喷系统不能完全搬到二冲程发动机上来【2 5 l 。 近年来，二冲程发动机直喷( g d i ) 系统的基本方案包括：缸内高压燃油喷 射【2 6 l 、电控低压缸内燃油直喷【2 7 】、电控燃油夹气喷射以及机械式空气辅助燃油 喷射网。其中以夹气喷射为主，也有缸内直接喷射燃油的。如a v l 公司的半直 接喷射系统网，o r b i t a l 公司的o c p ( o r b i t a lc o m b u s t i o np l o c c s s ) 二冲程发动机 技术】，以及里卡多公司的分层燃烧系统 拶3 0 1 等在二冲程发动机的缸内直接喷 射( g d i ) 系统上的应用也取得了不错的成果。 其中以燃油夹气喷射的o r b i t a l 公司的s e f i s ( s m a l le n g i n ef u e lh j e c t i o n s y s t e m ) 为代表的电控缸内直喷系统排放控制效果非常不错 2 4 1 。图1 8 是s e f i s 系统原理示意图。其特点是成本较低，燃油和机油分别进入燃油、机油计量泵， 机油与燃油按一定比例供给，电控单元( e c u ) 的输入信号为转速信号和节气门 的开度信号，输出为喷油控制信号和点火控制信号。s e f i s 系统除了能够很好地 解决燃油短路损失问题外，它的另一特点是可以实现缸内分层燃烧。s e f i s 可以 使总空燃比高达1 0 0 ：1 ，试验表明s e f i s 在燃油经济性方面有很大的改善。 同样属于燃油缸内直接喷射的另一个典型示例是意大利p i a g g i o 公司e t 2 机 氲艇喷麓l 图1 - 9i a p a o 二冲程发动机 械式二冲程摩托车燃油喷射 系统。p i a g g i o 公司同时生产 两款非常著名的v e s p a ( 黄 蜂) 二冲程摩托车，它们在 排放控制方面的最大不同在 于v e s p a - e t 2 采用机械式燃 油喷射系统，另一种v e s p a 采用排气后处理技术【3 l 】。 在电控夹气喷射系统 方面，i f p 3 2 捌开发的i a p a c 系统( 图1 - 9 所示) ，能使 二冲程发动机的燃油与扫气 空气分离而减少燃油短路， 其利用曲轴箱内的压缩空 气，从扫气孔和项部进气阀 进入气缸，在进气阀处，喷 第一章绪论 射的汽油通过气流促进混合，并有足够的时间雾化，提高了发动机性能，试验表 明，比油耗下降2 5 以上，未燃h c 排放下降7 0 一9 0 。 o r b i t a l 和f o r d 3 4 , 3 5 1 开发的a f i 燃油夹气喷射系统，能实现低负荷的层状进气， 随着负荷加大，层状比例下降，逐渐向均质燃烧过渡以使发动机发出最大功率。 它们需要一个空气压缩机、不需要高压泵，压缩空气有夹带和雾化燃油两个作用。 其关键部件是喷射器，带有一个小的混合腔，燃油喷入腔内并跟腔内空气一定程 度上的混合再喷入气缸，形成燃油气化的雾状气和非常细化的油粒。 1 3 3 国内研究现状 国内对二冲程电控汽油机的研究较少，做缸内高压直喷的就更少。近几年 来，西安交通大学、天津内燃机研究所、武汉理工大学和吉林工大在这方面做了 许多的研究工作，但仅限于低压力、半直接喷射和空气辅助喷射二冲程汽油机的 研究和探讨，工作还不全面系统，工作进展也较缓慢，效果也不是很理想。 西安交通大学陈波宁、曾科、周龙保等人在木兰5 0 型摩托车二冲程发动机 做了进气管电控喷射和电控汽油喷射分层扫气系统的研究与试验，结果表明可以 降低发动机油耗2 5 - 4 0 ，h c 排放4 0 以上，但c 0 排放有所上升i 圳。 o 耐r 1 3 1 l n 图1 - 1 0 电控半赢接赜射与传统式二冲程汽油机外特性比较 吉林工业大学内燃机工程系的罗滇生，钱耀义，于秀敏等人在a x l 0 0 型摩 托车二冲程发动机做了电控半直接喷射二冲程汽油机的研究与试验，结果如图 卜1 0 所示【3 7 1 。 第一章绪论 武汉理工大学自动化学院的陈昌巨，严志勇等人在南方1 2 5 型摩托车 ( n f l 2 5 ) - - 冲程发动机做了采用电控央气喷射方法降低二冲程汽油机的研究与试 验，测试原怠速转速为l5 0 0 r p m ，h c 体积分数为0 8 ，c 0 体积分数为5 0 ； 加装电喷系统后，怠速转速为9 7 0 r p m ，t t c 体积分数为9 8 0 p p m ，c 0 体积分数为 0 5 5 。在其他工况下，动力性均有所增加，节油效果明显。外特性油耗结果如 图卜1 l 所示f 3 8 1 。 母 互 - 竭 押r n d m h a o 图卜11 电控夹气喷射与传统式二冲程汽油机外特性油耗比较 1 3 4 存在的问题 众所周知，导致二冲程汽油机过多未燃h c 排放的主要原因是：由于扫气短 路和在排气口关闭之前活塞向上运动所引起的燃油从排气口的泄漏。当然，这也 直接导致燃油经济性变差。而缸内直喷技术能够实现只用新鲜空气进行扫气，使 这个问题得以解决。许多学者已经展示了利用缸内直喷技术得到在h c 排放和燃 油消耗率方面的诸多改善成果。 然而缸内直喷技术并未在本质上解决这类发动机的其它一些主要问题，例 如：由于必须通过节气门调节发动机负荷，这必然导致扫气压力的降低，从而在 低负荷时残余废气系数过大，混合气不能完全燃烧、甚至相当部分循环完全熄 火，这些问题同样会导致高的h c 排放和燃油消耗率。 还有润滑问题，对h c 排放和积碳状况影响严重。当然高成本也是一个难以 逾越的障碍。 所有这些问题都对二冲程汽油机在摩托车等领域的生死存亡至为关键，必须 研究探讨各种解决方案。 第一章绪论 1 4 发动机缸内流场的多维数值模拟 数值模拟是以计算流体力学、计算燃烧学和计算传热学为基础，以高速容量 计算机为工具，通过计算手段来探索自然界、工程实际和社会生活中的各种流动、 燃烧现象的机理，研究各种流动或燃烧系统及装置的内部规律，从而实现对各种 流动现象进行准确分析、预测的一门学科。目前，数值模拟已经广泛应用于航天 航空、天气预报等领域。 在内燃机领域中，由于内燃机几何形状比较复杂，不仅涉及到各种不同燃烧 室形状以及气道与燃烧室之间的复杂匹配，还涉及到活塞、气门等运动边界；另 一方面，内燃机中的气体流动和燃烧现象是高度瞬变、高度压缩、多种流动形式 和多相混合存在的一个及其复杂的问题，而且到目前为止，内燃机中的湍流、燃 烧等各种物理现象的机理至今还没有研究清楚，这些都妨碍了数值模拟在内燃机 中的应用【3 9 1 。七十年代术，随着喷雾模型和燃烧模型的提出，以及一些大型软 件如v a 、p h o e n i c s 、f l u e n t 、s t a r - c d 、f i r e 的推出，为数值模拟在 内燃机中的广泛应用奠定了基础。数值模拟也由原来的二维轴对称网格发展到三 维非结构化网格，计算方法也由s 1 m p l e 法发展为多种方法并存的局面。 最早的多维数值模拟可追溯n 7 0 年代初期，w a t k i n s 在其博士论文中计算了 一个二维轴对称、无燃烧、无喷射的缸内气体流动的例子。b o n i 等人结合h i r t 发 展的a l e ( a r b i t r a r yl a g r a n g e e u l e r ) 方法，并加入了燃烧和湍流子模型，用二 维模型分析了发动机压缩过程和做功过程。这些早期模拟工作现在看起来有些粗 糙，但他们对内燃机工作过程的数值模拟奠定了基础。8 0 年代以来，内燃机工作 过程的多维数值模拟迅速发展，各种子模型如燃烧、喷雾、传热、传质等模型的 不断完善，为全面模拟内燃机缸内工作过程奠定了基础。随着g o s m a n 发表了求 解缸内三维湍流场的论文后，掀起了多维数值模拟的新一轮热潮。数值模拟的发 展与计算机水平有很大关系，随着当代计算机计算能力的飞速提高，许多内燃机 多维数值模拟计算软件应运而生，其中具有代表性的有英国帝国理工学院的 p h o e 烈i c s 、s t a r c d 、美国l o sa l a m o s 国家实验室的k a 以及本课题使用的 奥地： i j a v l 研究所丌发的f i r e 等，这些软件的成功开发，更为内燃机工作过程 多维数值模拟的发展推波助澜【4 0 川。 在二冲程汽油机扫气过程的多维数值模拟中，由于二冲程汽油机的扫气道、 排气道的几何结构比较复杂，起先的研究主要是以气缸部分作为主要的研究对 象，而气口处的流动作为边界条件来处理，如b a h m a d i b e f r u i 等对缸内扫气过程 进行的研究。随着c f d 技术的不断发展，计算软件对复杂几何形状的处理能力不 断提高，已经能够对二冲程汽油机的气缸、扫气道、排气道同时进行求解1 4 2 】。 f i r e 作为专门的发动机三维数值模拟软件，涵盖缸内流动、喷雾燃烧、喷嘴内 第一章绪论 燃油流动等多项内燃机领域的模拟，为准确模拟二冲程缸内直喷汽油机的工作过 程创造了条件。 要解决发动机在低负荷时的燃烧不规则变动问题，最好的解决方案就是采用 直喷分层技术。如果在点火时刻，在气缸内形成一股非均质的混合气，也就是在 火花塞周围混合气浓度为化学计量当量比或更浓，而在远离这个区域的混合气逐 渐变稀。那么，就会获得令人满意的燃烧效果。尽管总体上混合气很稀，但却很 容易保证形成火核并迅速向外传播。 实现分层的核心问题是在气缸内具有很强紊流的情况下，如何避免燃油的充 分扩散( 混合气的总体均质性) 。 在低负荷时，推迟喷油对实现分层是有益的，因为这样可以缩短燃油的扩散 时间。但推迟喷油同时，还要保证有足够的时间形成局部的均质混合气。为了满 足发动机实现直喷、分层燃烧的各种需求，需要对以下参数进行合理设置： 1 燃烧室形状 2 喷雾位置和方向 3 火花塞位置 4 喷油萨时 5 点火正时 6 喷雾和气体运动流场的相互作用 最难的问题是要把化学计量当量比混合气限制在火花塞附近区域。过去，在 这方面的研究只是靠直觉，并且，通常用一些难以解释的实验结果进行验证，所 以只得到很少的结论。现在，实验测试是作为运用计算流体动力学( c f d ) 进行 长期研究的最后一个阶段。计算流体动力学预测使人们对气缸内气体流动的细节 进行分析成为可能，并且，它能预测以上所提到的各种参数的变动对输出结果的 影响【4 3 】。 本文利用a v l 公司开发的专门的发动机流场分析软件f i r e 和动网格的技术 来进行发动机缸内流场的多维数值模拟，从理论上进行探讨和研究了燃烧室形状 和喷油器位置、喷油相位和燃油液滴邵特平均( s 肋) 直径对直喷发动机的分层 充气的影响。 1 5 本课题的主要工作及意义 1 5 1 选题的目的 尽管对于二冲程汽油机直喷的开发和研究，国外一些大公司和研究机构已进 行了许多方面和深入的研究，虽然采用直喷技术可以尽量的消除燃油短路损失， 第一章绪论 降低二冲程发动机的h c 排放和燃油消耗率，但是始终难以解决低速低负荷工况， 由于晚喷和残余废气的原因，所带来的h c 排放较高的问题；还有高成本的问题。 为此，在浙江飞亚电子有限公司和天津内燃机研究所资助下，分析和吸取了 国内外先进的二冲程汽油机直喷发展技术，结合我国的发展现状，本文将低成本 的f a i 缸内直喷系统应用于a x 1 0 0 型摩托车发动机上，以实现二冲程摩托车汽 油发动机的缸内高压直喷，进行了大量的降低低速低负荷工况h c 排放的研究， 以希望消除燃油短路损失和低速低负荷工况的燃烧不稳定，改善h c 排放和燃油 消耗。 1 5 2 本课题的主要研究工作 i 将浙江飞亚电子公司丌发的新型的低成本、简单可靠的f a i 电控燃油高 压直喷系统应用于二冲程摩托车发动机。 2 选择我国比较常见的二冲程摩托车发动机a x 1 0 0 为基础发动机，对它进 行了必要的重新设计和改造，设计了个适合缸内高压直喷分层充气的进 气、供油、燃烧室系统。 3 设计并做了不同旁通孔( 横截面积1 0 0 、2 0 r a m 2 两种) 节气门