（动力机械及工程专业论文）基于特征矢量的新型缸内气流运动评价方法的研究及应用.pdf

中文摘i 要 能源危机与环境污染是汽车工业目前所面临的主要问题，低能耗、低排放技 术也是汽车工业发展的主要目标。目前的各类新技术措施的的应用，在提高燃油 经济性、降低排放方面都有着巨大的潜力及应用前景。然而，对于发动机新型燃 烧系统的开发以及发动机性能的提升方面而言，发动机进气道的设计与组织合理 的缸内气流运动有着极为重要的作用。因此，发动机进气道产生缸内气流运动的 生成、组织、测量及其评价体系尤为重要。 本文研究主要针对于发动机缸内气流运动的新型评价方法，首先设计开发了 双特征角新型气道稳流测试系统，对该测试平台的机构组成、搭建、试验原理、 工作方式以及试验流程进行了阐述，并建立数据采集系统。基于所开发的双特征 角新型气道稳流测试系统，本文主要完成以下工作： 1 建立基于特征矢量的缸内气流运动评价新型方法，引入特征矢量、缸内 气流运动特征矢量轨迹图以及缸内气流运动特征矢量表的概念； 2 通过对国内某款p f i 基础样机缸内不同测试平面内气流运动强度及矢量 方向的综合分析研究，对比计算流体动力学仿真结果和试验结果，验证该新型评 价方法的精确性、可靠性及适用性； 3 基于上述p f i 基础样机的进气道优化设计，在开发一款空气辅助低压缸 内直喷( l p d i ) 汽油发动机的过程中，建立p f i 基础样机和l p d i 样机的进气道 稳流特性的计算模型，对比分析两者进气道仿真计算结果；利用基于特征矢量的 缸内气流运动新型评价方法，研究并建立了运动矢量轨迹图及不同气门升程下发 动机缸内气流运动特征矢量表，对p f i 基础样机和l p d i 发动机缸内不同测试平 面内气流运动强度及矢量方向进行了综合评价及对比，并对进气道优化效果进行 了分析与阐述。 关键词：双特征角新型气道稳流测试平台，特征矢量，缸内流场，评价方法， 优化设计 a b s t 姒c t e n e r g yc o n s u m p t i o na n de n v k o n m e n tp o l l u t i o na r et h em a i np r o b l e m s f o r a u t o m o t i v ei n d u s t r y t h u s ，t h ei m p r o v e m e n to ft h ef u e le c o n o m ya n dl o we m i s s i o n s a r et h em a i no b je c t i v e so ft h ev e h i c l ee n g i n e s n u m e r o u sa d v a n c e dt e c h n o l o g i e sa r e d e v e l o p e dd u r i n gt h e s ey e a r st om e e tt h ee m i s s i o nr e g u l m i o na n dc o n s u m e r s d e m a n d sb e c a u s e 也e ym o s t l yh a v eg r e a ti n d u s t r i a lp o t e n t i a l h o w e v e r , t h ed e s i g n i n g o ft h ei n l e tp o r to ft h ee n g i n ea n do p t i m i z i n gt h ea i rf l o wi n s i d et h ec y l i n d e ri sa f u n d a m e n t a lr e q u i r e m e n tf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h en e wc o m b u s t i o ns y s t e mo rt h e p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n to ft h ee n g i n e ，s od e t a i l e dk n o w l e d g eo fp r o d u c i n g ， o p t i m i z i n g 。m e a s u r i n ga n dc h a r a c t e r i z i n go ft h ea i rf l o wi n s i d e t h ec y l i n d e ri s i n d i s p e n s a b l ef o rt h ev e h i c l ee n g i n e s t h en e wm e t h o d o l o g yf o rc h a r a c t e r i z i n gt h ei n s i d et h ec y l i n d e ro ft h ee n g i n ei s m a i n l yf o c u s e do ni nt h i sr e s e a r c h 1 1 1 en o v e ld o u b l ee i g e n a n g l e - b a s e ds t e a d yf l o w t e s tr i gh a sb e e nd e v e l o p e d ，a n dt h ec o m p o s i t i o n s ，p r i n c i p l e ，w o r k i n gs t y l ea n d e x p e r i m e n t a lp r o c e s sa r ee x p a t i a t e da n dt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sb u i l tu p ，t o o b a s e do i lt h ed o u b l ee i g e n a n g l e - b a s e ds t e a d y - s t a t ef l o wt e s tr i g ，t h em a i nw o r ko ft h i s r e s e a r c hi ss h o w na sf o l l o w s ： t h en e wm e t h o d o l o g yf o r c h a r a c t e r i z i n ga i rf l o wi n s i d e t h ec y l i n d e ri s e s t a b l i s h e d ，a n dt h ec o n c e p to fe i g e n v e c t o r , t h ee i g e n v e c t o rp a t ho ft h ei n - c y l i n d e ra i r f l o w , t h ee i g e n v e c t o rt a b l eu n d e rd i f f e r e n tv a l v el i r sa r ei n 仃o d u c e di n t h i sp a p e rt o g e tam a c r o s c o p i c a l l yr e f l e c t i o no ft h ei n t e n s i t y , t h et e s t e dp l a n e ，t h ev e c t o rd i r e c t i o n a n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ei n c l i n e ds w i r l ； a4 - v a l v ep f ig a s o l i n ee n g i n ec y l i n d e rh e a dw a si n v e s t i g a t e dc o m p r e h e n s i v e l y b a s e do nt h i sn o v e lt e s t 啦n es i m u l a t e da n dt e s t e dd a t aw e r ec o m p a r e d , a n dt h e a c c u r a c y , r e l i a b i l i t ya n da p p l i c a b i l i t yo ft h en e wm e t h o d o l o g ym e n t i o n e da b o v ea r e v a l i d a t e d ； b a s e do nt h ei n l e tp o r to p t i m i z a t i o no ft h ep f ig a s o l i n ee n g i n e ，al p d ig a s o l i n e e n g i n eu s i n ga i r - a s s i s t e dt e c h n o l o g ya n ds p r a yg u i d e dd i r e c t 询e c t i o nc o m b u s t i o n s y s t e mw a sd e v e l o p e d t h es i m u l a t i o nm o d e lo f t h ei n l e tp o r t sw a sb u i l tu p ，a n dt h e s i m u l a t e dr e s u l t sw e r ec o m p a r e db e t w e e np f ia n dl p d ie n g i n eo ni n - c y l i n d e ra i r f l o w t h en o v e ld o u b l ee i g e n a n g l e - b a s e ds t e a d y - s t a t ef l o wt e s tr i gw a su s e d ，a n dt h e c o n c e p to fe i g e n v e c t o r , t h ee i g e n v e c t o rp a t ho ft h ei n - c y l i n d e rt u m b l ef l o w , t h e e i g e n v e c t o r su n d e rd i f f e r e n tv a l v el i f t sw e r eb u i l tt oc o m p r e h e n s i v e l yi n v e s t i g a t ea n d c o n t r a s ti n 。c y l i n d e ra i rf l o wo ft h et w oe n g i n e s ；b e s i d e s ，t h er e s u l t so f t h eo p t i m i z i n g i n l e tp o r ti sa n a l y z e da n de x p a t i a t e d k e yw o r d s ：n o v e ls t e a d y - s t a t ef l o wr i g ， c h a r a c t e r i z i n gm e t h o d o l o g y , o p t i m i z a t i o n e i g e n v e c t o r , a i rf l o wi n s i d et h ec y l i n d e r , 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 至今为止，内燃机仍然是世界上热效率最高、单位体积和单位重量功率最大 ( 可达1 0 0 踟，) 的原动机，其应用范围广泛，全世界保有量已经超过十几亿台。 在可预见的未来，以石油能源为主要燃料的内燃机仍将是汽车、工程机械、农用 机械、船舶和军用装备等动力装置的主要原动力。现代内燃机技术是燃烧学、热 力学、流体力学、传热学、化学催化动力学、计算机、信息科学、新材料和先进 制造技术等多学科综合的结晶，并且随着当代科学技术的蓬勃发展，内燃机工业 的发展也迎来了新的机遇，它融合交汇了多种学科，带动了机床、材料、钢铁、 石油化工等关系国计民生的产业的发展与壮大，是典型的高新技术密集产业【l 】。 中国的内燃机工业自2 0 世纪初开始，经过百余年的发展，取得了长足的进 步：截止到1 9 9 5 年底，我国的内燃机产量已达1 6 0 0 万台，总功率达到2 2 亿k w ； 截止到2 0 0 1 年底，我国内燃机总产量己达2 5 k w ，品种、数量与质量可满足国 民经济日益增长的需求【2 】；自2 0 0 2 年起，中国的汽车工业出现了“井喷式”的快 速发展，截止到2 0 0 9 年底中国内燃机年产量己达6 7 0 0 万台，占全球总产量的 1 3 ，且中国汽车产销量均突破1 3 0 0 万辆，成为世界该行业第一制造大国和最大 的市场。虽然在性能、质量、可靠性以及自主研发能力方面来说，我国内燃机工 业与国际先进水平相比还有很大的差距，但是从以上产量数据方面可以看出，内 燃机在我国各个领域中的重大作用以及我国内燃机行业蓬勃的发展态势，中国内 燃机工业具有非常大的发展潜力。 本世纪对于全世界来说所面临的最严峻的挑战是能源问题和环境问题，“节 约能源，保护环境”已经成为了世界各国的重要发展战略【3 】。对于中国而言，伴 随着国内社会经济的迅速发展，内燃机作为主要动力源的各种车辆日益增多，而 且汽车的保有量以每年约1 5 左右的增速增长；与此同时，大量的内燃机在不断 消耗稀缺宝贵的石油资源，并向大气中排放尾气，其所带来的能源短缺及城市大 气污染问题愈来愈引发国内社会关注。因此，内燃机的发展方向、设计和研究工 作面临着巨大的挑战。 第一章绪论 1 1 1 。内燃机工业的能源问题 石油作为一种不可生资源，在1 9 6 0 年前后以第一能源的形式在全世界范围 内超越煤炭，成为了当代世纪世界范围内政治、军事、经济竞争的重要焦点所在。 由于内燃机工业的主要燃料来源于石油资源，因此石油资源是内燃机工业赖以存 在和发展的基础。目前对中国而言，对石油资源进口的依赖度非常高，达到了 5 0 ，而中国国内内燃机行业的石油消费量则占到石油总消费量的2 3 以上( 如 表1 - 1 所示) 。目前，我国内燃机的能源利用率很低。据统计，我国内燃机的石 油消耗率平均为每千瓦小时0 2 2 0 3 5 k g ( k w h ) ，但是能源利用率与国外先进机 型相比要低2 0 左右，每年多耗油3 0 0 0 万吨以上。因此，内燃机的节能研究工 作事关国家能源安全，意义极为重大。 表1 1国内近年来石油消费总额与净进口总额对比万吨 由于不断增加的勘探活动及勘探技术的提高，自2 0 0 0 年起平均每年发现的 石油储量高于2 0 世纪9 0 年代水平，目前全球剩余原油探明储量近1 3 0 0 0 亿桶， 较1 9 8 0 年以来几乎翻了一番。值得注意的是石油产量依然持续超过新发现的油 田储量，以2 0 0 8 年的开采速度计算，原油储备仅可供全世界5 0 年左右的石油消 耗。近年来，石油价格不断上扬导致了2 0 0 8 年上半年以来的石油价格暴涨，凸 显了世界对原油供应的敏感程度。 对于中国内燃机工业的发展，应当根据世界能源的现状以及目前出现的新能 源的基本概念来权衡，国内内燃机工业需要坚定不移地利用好传统的能源，此外 还要切实有效地开展新能源的研发工作并使之市场化和工业化。对于中国内燃机 工业，如果发展过程中忽视了传统能源的技术进步和优化使用方面，盲目无绪地 开展新能源的研发和应用，将会陷入投资上的巨大的无底洞，甚至会丧失国内多 年来在内燃机工业和汽车行业上积累的研究成果，而且会在新能源的推广应用上 会再次落后于工业发达国家。上述能够说明中国内燃机工业所面临的严峻形势， 不断的开发新型节能技术及提高燃料利用效率迫在眉睫，只有通过节能，积极地 研究开发新能源技术，才能缓解我国对进口石油以及其他传统能源的依赖，节约 有限的石油资源，缓解国内内燃机工业发展的能源需求。 1 1 2 内燃机工业的环境问题 随着世界经济的发展和汽车保有量的不断增加，由于汽车尾气污染而产生的 第一章绪论 表1 - 2 中国汽车排放法规概览 实施时间 轻型车排放标准 全国北京上海 g b1 4 7 6 1 1 9 9 9 汽车g b3 8 4 7 1 9 9 9 压燃式 排放污染物限值及发动机和装用压燃式发 测试方法动机的车辆排气可见污 国染物限值及测试方法 g b1 8 3 5 2 1 2 0 0 12 0 0 0 0 1 0 11 9 9 9 0 1 0 1 1g b17 6 9 2 1 9 9 9 汽车 轻型汽车污染物排 用发动机净功能测试方 放限值及测量方法 法 ( i ) g b1 7 6 9 1 1 9 9 9 压燃 式发动机和装用压燃式 g b18 3 5 2 2 2 0 0 1发动机的车辆排气污染 国 轻型汽车污染物排 物限值及测试方法 2 0 0 4 0 7 0 12 0 0 3 0 12 0 0 3 0 1 2 放限值及测量方法 g b1 7 6 9 1 - 2 0 0 1 车用 ( i i ) 压燃式发动机排气污染 物排放限值及测试方法 国g b 18 3 5 2 3 2 0 0 5 g b1 7 6 9 1 2 0 0 5 车用2 0 0 7 , 1 0 0 1 2 0 0 6 0 1 0 12 0 0 7 0 1 0 1 3 轻型汽车污染物排 国放限值及测量方法 压燃、气体燃料点燃式发 动机与汽车排气污染物 2 0 1 0 0 1 0 12 0 0 8 0 1 0 12 0 0 9 0 1 0 1 4 ( 中国、阶段 限值及测量方法( 中国 国 、v 隰) 2 0 1 2 0 1 0 1 5 有害物质给人类、动物、植物及整个自然界的生物链带来了极大的危害，成为人 类健康和自然资源的最大威胁 4 】。因此，为了控制和减少汽车的排放污染，保护 人类赖以生存的大气环境，世界各国纷纷采取了各种措施和相应的控制策略，制 定了愈来愈严格的排放法规。图1 1 所示为世界各地排放法规限值。其中，欧洲 标准是由欧洲经济委员会( e c e ) 的排放法规和欧共体( e e c ) 欧盟( e u ) 的 排放指令共同加以实现，由e c e 参与国自愿认可，排放指令是e u 参与国强制 实施的。汽车排放的欧洲法规( 指令) 标准1 9 9 2 年前已实施若干阶段，欧洲从 1 9 9 2 年起开始实施欧i ( 欧i 型式认证排放限值) 、1 9 9 6 年起开始实施欧i i ( 欧 i i 型式认证和生产一致性排放限值) 、2 0 0 0 年起开始实施欧i i i ( 欧型式认证和 生产一致性排放限值) 、2 0 0 5 年起开始实施欧i v ( 欧型式认证和生产一致性排 放限值) 。我国也颁布了相应的汽车排放法规，从2 0 1 1 年7 月1 日起，我国将全 第一章绪论 面实行乘用车第四阶段排放标准，即国排放标准，凡不符合国排放标准的新 车，将无法进入工信部的新车目录；凡不满足国标准要求的轻型汽油车、单一 气体燃料车及两用燃料车不得销售和注册登记【5 1 。 图1 1 世界各地汽车排放法规限值 内燃机污染物的排放对公众健康安全和自然环境都有着很大的副作用，同时 也与内燃机本身的性能，如动力性、经济型等有一定的矛盾。因此，内燃机工业 的发展及研究工作应当权衡社会发展、能源需求、环境污染等因素的综合作用， 在政府和国际组织设定的排放法规的指导和管制下开展，使内燃机工业及其汽车 工业更好地为国家经济建设服务。 1 2 内燃机工业的技术路线及发展方向 为了适应不断强化的能源节约和降低排放的要求，依靠传统的生产制造技术 及燃烧技术，对内燃机工业未来的发展是远远不够的。现代内燃机燃烧技术已经 不是传统意义的热力循环发动机，其集成了不同领域的高新技术，新燃烧概念或 燃烧系统、现代科学技术、微型电子计算机、新能源及新材料在内燃机方面的研 究开发和应用，给内燃机工业的发展注入了新的活力，提升了内燃机在能源需求、 环境保护等方面的竞争潜力。 1 2 1 新型燃烧概念的研究和应用 稀薄燃烧是指空燃比达到2 0 以上的燃烧技术，该技术的最大特点就是燃烧 第一章绪论 效率高、经济、环保，同时还可以一定幅度的提升发动机的功率输出。在稀薄燃 烧的条件下，由于混合气点火比理论空燃比条件下困难，爆燃也就更不容易发生， 因此可以采用较高的压缩比来设计提高热能转换效率，再加上燃油能够在过量的 空气里充分燃烧，所以在这些条件的支持下能充分利用到燃料的能量【6 】。 汽油机缸内直喷技术( g d i ) 是指将燃油直接喷入气缸燃烧室内的发动机技 术。供油系统采用缸内直喷设计的最大优势就在于燃油是以极高的喷射压力直接 注入于燃烧室中，在油气的雾化和混合效率方面非常优异。随着近来汽车电子技 术的大幅进步，对于进气量与喷油时机的判读与控制也愈加精准，因此缸内直喷 技术使得发动机的燃烧效率大幅提升下，除了发动机得以产生更大动力，对于环 保和节能也都有正面的帮助。 对于柴油机而言，随着世界范围内排放法规的日益严格，新型燃烧技术，如 均匀充量压缩燃烧( h o m o g e n e o u sc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ) 、低温燃烧技术 l t c ( 1 0 w t e m p e r a t u r ec o m b u s t i o n ) 、p c c i ( p r e m i x e dc h a r g ec o m p r e s s i o ni g n i t i o n ) 等，和传统燃烧模式相结合应用来满足未来的排放要求。以h c c i 技术为例，其 燃烧为稀混合气低温下的着火燃烧，均匀充量的预混燃烧将避免黑烟和p m 的生 成，燃烧持续期的缩短和较低温度下的燃烧可有效避免n o x 的生成。该技术实 质是柴油机和汽油机两种燃烧方式的综合，属于对燃烧方式的一种改进 丌。此外， 以上所述不同的新型燃烧模式在不损失动力性的前提下可以很容易地满足后处 理系统以及排放性能的要求。为了运行新型燃烧模式，发动机须配置相应的进排 气系统，如增压系统、e g r 系统等，以及可实现喷油模式灵活调制和切换的燃 油喷射系统，如多脉冲( 或多次) 喷油模式等。这些系统目的在于要控制缸内充 量的温度、压力、氧浓度以及e g r 率等，以及燃油的喷射正时、喷射。 持续期以及喷射模式等参量。只有 耋。 在以上所述参量都控制在适当的狭蠢毛。 小的范围之内的条件下，新型燃烧一羞， 模式的才能平稳地进行理想的燃烧萤。 过程。在实际的发动机应用中，发。 动机可以根据气缸内充量的不同状 态来选择相应的燃烧模式，图1 2 所示为不同燃烧概念的示意图。 1 2 2 可变气门技术的研究和应用 瞪 豁】 默j 飞； 、? 测 瑚溺l鬟盼 2 饕 2 饕鬻甏 ， ， j 鳓j e s e l + 。 | 一 ；，一。g i 誓矗 t 鬈翻重0 翻 誊，潮燮濯_ _ _ _ _ r 一_“ 1 4 0 01 8 0 02 2 2 s o o3 0 l o c a lt e m p e r a t u r ek 图1 - 2 不同燃烧概念示意图 为满足发动机全工况的要求，对于可变气门升程和可变气门相位技术从上个 第一章绪论 世纪9 0 年代开始就已经得到了广泛的关注和研究。可变气门技术改变了传统发 动机中气门参数固定不变的状态，在发动机运行工况范围内可以提供最佳的气门 参数组合( 包括进、排气门的升程和正时) ，较好的解决了高转速和低转速、大 负荷和小负荷下动力性和经济性的矛盾，同时也能在一定程度上改善废气排放 瞄j 。在图1 - 3 中，根据相位和升程，以及非连续或连续调节的特性，对可变气门 机构进行了分类，在图中可变性的等级从左到右相应提高。 震震糜 图l 一3 可变气门机构种类 为了缩短产品开发周期，提高产品智能化水平，改善发动机的综合性能，模 拟技术及现代设计技术提供了一个很好的途径：计算机辅助设计( c a d ) 、快速 成型技术、有限元分析、可靠性分析、磨损预测、轴承轨迹分析、运动及动力学 分析、计算流体动力学( c f d ) 仿真分析、发动机循环模拟等，这些新型设计方 法及模拟方法为内燃机发展技术提供了多种新型的视角，并且衍生了许多相应的 研究方向【2 | 。 1 2 4 电控技术的应用 近年来，微电子控制技术的迅速发展以及在内燃机方面的应用逐渐代替了传 统的机械和液力控制技术，可以实现内燃机的综合控制和最优控制，且控制精度 较高，在内燃机工业上得到了广泛的应用。 1 2 4 1 柴油机电控技术的应用 柴油发动机电控喷油系统的开发研究从2 0 世纪7 0 年代开始，经历了三代技 术的跨越式发展 9 】。第一代柴油机电控技术为位置控制式电控喷油系统，主要是 通过对现有机械结构的升级改造，以提高控制精度和响应速度，其生产继承性好， 第一章绪论 但是不能改变传统喷油系统固有的喷油特性，也很难大幅度提高喷油压力。第二 代电控系统为时间控制式电控喷油系统，即用高速电磁阀直接控制高压燃油的适 时喷射。这种系统可以保留原来的喷油泵一高压油管一喷油嘴系统，也可以采用 新型的高压燃油系统；此外，该喷油系统利用柱塞供油，对转速的依赖性较大， 在低速、低负荷时喷射压力不高，而且难以实现多次喷射，不利于降低柴油发动 机的噪声和震动。第三代柴油机电控喷油系统采用时间一压力控制式，即电控共 轨式喷油系统，其采用高压泵在发动机驱动下以一定的速度比连续将高压燃油输 送到共轨内，高压燃油再由共轨送入各缸喷油器。高压油泵并不直接控制喷油， 而仅仅是向共轨供油以维持所需的共轨压力，并通过调节共轨压力来控制喷油压 力；采用柴油压力一时间式燃油计量原理及高速电磁阀控制喷油过程，喷油压力、 喷油量及喷油定时由e c u 灵活控制。 1 2 4 2 汽釉曲埘缔目吏栩瞻应用 汽油发动机电控燃油喷射( e f i ) 系统对发动机的配制与化油器不同：e f i 系统以e c u 为控制中心，利用安装在发动机不同部位上的各种传感器来检测发 动机的各种工作参数，计算出发动机燃烧所必需的油量，通过喷油阀的开启给发 动机提供适量的燃油，使发动机在各种工况下都能获得最佳空燃比的混合气。汽 油机电控燃油喷射系统通过e c u 中的控制程序，还能实现启动加浓、暖机加浓、 加速加浓、全负荷加浓、减速调稀、强制怠速断油、自动怠速控制等功能，满足 发动机特殊工况对混合气的要求，使发动机获得良好的燃油经济性和排放性，提 高其使用性能【l o 】。酌f 、从2 0 世纪7 0 年代开始，就在汽车上大量采用汽油机电控 燃油喷射系统。目前美国生产的汽油发动机轿车，几乎全部采用汽油发动机电控 燃油喷射系统；日本及西欧等国的使用也达到9 0 以上。国内汽油发动机喷射系 统的使用也已呈现普及之势。 图1 _ 4 中国能源现状( 以热值计算) 第一章绪论 随着传统能源，如石油、煤炭等所占世界能源比例的缓慢下降、天然气的能 源比例的上升，以及核能、风能、水力、太阳能等其他形式的新能源逐渐的被开 发和利用，形成了目前世界范围内以化石燃料为主和可再生能源、新能源并存的 能源结构格局。而对于国内而言，其能源结构格局如图1 - 4 所示 1 1 。 1 2 5 1 代用燃料 天然气及液化石油气能源来源丰富，据预测，天然气的现有储量可供人类使 用6 0 年以上【1 1 】。此外，其具有燃料经济性好、排污少、发动机使用寿命长、维 修费用少、怠速及过渡工况运行稳定等优点，成为2 0 世纪极受关注的汽车代用 燃料【l2 1 ，近年来在世界范围内发展迅速。 二甲醚在内燃机上的应用，最早是为了改善用压燃方式工作的甲醇发动机的 低温启动性能，用作甲醇燃料的引燃剂，这是由于其较高的十六烷值( 5 5 6 0 ) ， 较低的自燃温度( 2 3 5 0 c ) 。二甲醚是柴油理想的洁净代用燃料，作为汽车能源， 其实质性应用取决于其生产成本。目前，二甲醚主要应用于精细化工。 甲醇和乙醇的特性及工作性能与汽油发动机十分接近，是一种值得重视的汽 车新能源。其具有高辛烷值和含氧的特性，使其在点燃式发动机上有着良好的应 用前景。从长远来看，在本世纪醇类燃料将会是汽车工业较为重要的一种燃料， 在某些国家和地区醇类汽车也将占有较大的比例。由于甲醇的主要来源是化工副 产品，或从其他重要能源转换而得，而乙醇虽然具有一定的再生性，但以粮食作 物为原料又使它具有了一定的局限性，加之成本较高，这些因素使得醇类燃料从 世界范围来说尚不可能代替基本的石油能源，只能作为汽车能源的局部补充。 生物质能作为汽车能源的主要优点在于其来源丰富，且对环境有利。许多国 家对生物燃料的研究开发相当重视，欧、美一些国家研究开发了燃用植物油单脂 与柴油混合燃料的汽车。由于生物质能较为理想的应用前景，在本世纪里，生物 质能有望获得一定的应用。 电能作为汽车能源的主要问题在于成本高，蓄电池充电时间长、寿命短、电 池能量密度低以及由此而导致的汽车动力性差、体积、质量大等问题。此外，电 能主要是通过消耗煤、石油等一次能源而来，电能的获得造成了二次资源浪费， 且派生出大气环境污染等问题。上述因素导致了电能作为汽车能源方面的使用受 到了一定的制约。 与传统石化能源和其余替代燃料的利用相比，氢燃料在特性具有许多突出的 优点，且应用于内燃机方面的排放产物只有无污染的水。但是，氢燃料至今仍未 获得实质性的应用，主要原因在于氢燃料的制取和储存技术尚有待于突破性的进 第一章绪论 展【1 引。氢燃料的制取很难保证经济性、产业化以及二次能源消耗，此外氢气的储 存及运输技术也限制了氢燃料的实际应用。 1 2 5 2 嘶能源的特点及利用 新能源资源必须蕴量丰富，使用安全、清洁。从目前的预期来看，在本世纪， 未来新能源的有：太阳能、核能、风能、水能、潮汐、地热等能源。由于这些能 源利用技术上还存在着很多的问题，因此在未来相当长的时间内这些能源的利用 技术还需要大量的投入和开发。 目前，研究开发的新能源汽车较多的为燃料电池汽车和电动车。燃料电池汽 车目前采用较多的技术为质子交换膜燃料电池( p e m f c ) ，其需要消耗全球供应 能力有限的贵重金属铂( p t ) 作为电极催化剂，并且需要消耗成本很高的氢气。 因此目前的燃料电池汽车并不是严格意义上的新能源汽车。对于第四代固体氧化 物燃料电池( s o f c ) 而言，不用催化剂而直接使用天然气为原料，电池效率较 高。 对于电动车技术而言，同样存在若干方面的技术问题：电池的能量密度较汽 油而言相差近百倍，且过重的电池组使得电动汽车续航里程短；电池组价格昂贵， 难以广泛普及应用；废旧电池中含有有汞、铅、镉、镍等重金属及酸、碱等电解 质溶液，对人体及生态环境有不同程度的危害；电池污染周期长、隐蔽性大，潜 在危害相当严重。 综合而言，以目前的技术，无论是燃料电池汽车，还是纯电动汽车，都存在 很大的能源利用战略方向性问题。 1 2 6 光学诊断技术与多维数值模拟模拟技术的研究及应用m 1 6 】 内燃机技术研究的深入与各种先进的测试技术的发展有密切关系。其中，目 前内燃机喷雾和燃烧研究中常用的光学测试方法及新兴的测试技术有：激光多普 勒测速仪( l a s e rd o p p l e ra n e m o m e t e r s ) 目前已经基本取代了热线风速计( h o t w i r ea n e m o m e t e r ) 成为测量内燃机缸内单点瞬时速度的主要测试手段； f r a u n h o f e r 衍射粒度测量技术在接近瞬间地把入射光照射范围内的所有粒子全部 进行测量，求得平均直径及相应的粒子尺寸分布；激光米散射粒度测量技术；相 位多普勒粒子测速技术；激光全息技术；二维平面速度场测量技术，主要包括粒 子示踪速度法( p a r t i c l et r a c e rv e l o c i m e t r y ) 和粒子图像速度法( p a r t i c l ei m a g e v e l o c i m e t r y ) ；激光片成像技术。 为了加强对内燃机缸内气体流动及燃烧复杂物理、化学过程的理解，光学诊 断技术和数值模拟技术缺一不可。数值模拟技术因为其成本低，速度快，资料完 第一章绪论 备，具有模拟真实条件和理想条件的能力，所以在试验的基础上选择适当的数值 模拟方法对内燃机缸内流动、喷雾及燃烧过程进行数值模拟很有必要。目前比较 有代表性的内燃机多维数值模拟计算程序有：英国帝国理工学院的p h o e n i c s 、 s t a r - 一c d ，奥地利的a v l 研究所的f i r e 和美国l o sa l a m o s 国家实验室的 k i v a 等。近年来，以上软件的到了迅速发展与应用，取得了与试验结果比较吻 合的计算结果，显示了较强的预报能力，对内燃机的研制、开发及试验研究有很 大的启示作用和参考价值。 内燃机缸内气流运动在很大程度上影响着发动机的动力性、经济性和排放性 能，而进气过程中，发动机进气道的结构设计、由进气道进入气缸的空气量、缸 内气体的速度分布、不同气流运动形式的分布等又直接决定了发动机缸内气流运 动的整体性能。因此，进气道产生缸内气流运动形式的研究对于提高发动机整体 性能具有重要的意义1 7 】。 发动机缸内流场可以分为涡流、滚流、斜轴涡流、湍流和挤流等不同的气流 运动形式【m j 。 涡流( s w i r l ) 的气流旋转轴线平行于气缸中心线，可以分为进气涡流、压缩 涡流及燃烧涡流。内燃机中普遍采用优化设计的进气道，在进气过程中能够产生 绕气缸轴线旋转的进气涡流，进气涡流可以一直持续到燃烧膨胀过程；压缩期间 旋转气流从气缸工作容积进入活塞项凹坑将产生压缩涡流，其持续时间比较短 暂，但因涡流的旋转形式以及其较高的流动速度，能够把握对燃烧十分有利的时 机，所以对燃烧起着很重要的作用。 滚流( t u m b l e ) 是在进气过程中形成的绕气缸轴线垂直线旋转的有组织的空 气旋流。滚流一般都利用直进气道形成。它较适宜于在四气门汽油机上使用。滚 流在压缩过程中其动量衰减较少，并可保持到压缩行程的末期。当活塞接近于上 止点时，大尺度的滚流将破裂成众多小尺度的涡，使湍流强度和湍流动能增加， 大大提高火焰传播速率，改善发动机性能。 涡流和滚流的结合可形成斜轴涡流，它既有绕气缸轴线旋转的横向分量，也 有绕气缸轴线垂直线旋转的纵向分量，斜轴涡流充分利用了进气涡流和滚流的优 点，在上止点附近能形成更强的湍流运动，提高混合气( 特别是稀混合气) 燃烧 ：速率。 第一章绪论 在气缸中形成的无规则气流运动称为湍流，是一种不定常气流运动，其形成 方式很多，既可以在进气过程中产生，也可以在压缩过程中利用燃烧室形状产生， 还可以因燃烧而产生。火花点火式发动机中湍流能促进火焰面附近已燃气体和未 燃气体的交换，扩大火焰前锋表面积，从而提高火焰传播速率。在柴油机中湍流 则可以改善燃油与空气的混合。 挤流( s q u i s h ) 是在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖彼此靠近 时所产生的径向或横向气流运动。挤流强度主要由挤气面积和挤气间隙的大小决 定。挤流在汽油机上得到了广泛的应用，汽油机燃烧室都利用较强的挤流运动， 以增强燃烧室内的湍流强度，促进混合气快速燃烧。 目前，国内外对缸内气流运动研究的方法主要有三种：多维数值模拟，微观 研究方法和宏观研究方法，具体为激光粒子图像速度场测量仪( p ) ，计算流体 动力学理论( c f d ) ，气道稳流试验台等【1 9 1 。 ( 1 ) 多维数值模拟 该方法主要通过计算机技术、流体力学、传热传质学、化学反应动力学等建 立发动机流体计算模型，并运用模型计算分析缸内流产特性，其耗时较短，但在 实际应用中，其必须与试验工作相结合才能发挥其作用。 ( 2 ) 微观研究方法 微观研究方法主要利用特定的仪器研究缸内流场分布情况，其主要包括热线 风速仪c t a 、激光多普勒测速仪l d a 、粒子示踪速度法p t v 和粒子图像速度法 p i v 等。该项技术研究信息丰富，阐述机理比较透彻，能够反映缸内气流由生成 到破碎的机理，了解缸内湍流运动的分布及变化机理，但是其仪器昂贵、工作量 大、操作复杂，并且主要应用于理论研究，在实际的生产工作中应用有限。 ( 3 ) 宏观研究方法 宏观研究方法主要利用稳流试验技术，即利用气道稳流试验台，该方法将叶 轮置于发动机气缸内，通过测量叶轮的转速来间接地反映气缸内空气流动的强度 及状态，该方法具有成熟的技术平台以及评价方法，其实验原理简单，经济性良 好，实际生产中应用广泛，效率较高。缺点是得到信息不够详尽，无法给出缸内 气流运动的详细分布情况。 1 3 3 内燃机缸内气流运动及进气道评价方法【2 0 】 ( 1 ) r i c a r d o 评价方法 发动机缸内气流运动评价参数一般采用r i c a r d o 评价方法，即固定模拟气缸 第一章绪论 真空度，计算不同进气门升程对应的无因次涡流强度n r 和流量系数c f ，积分得 到平均涡流比飚，从而评价发动机缸内气流运动特性及发动机进气道性能。 ( 2 ) f e v 评价方法 和大多数以预测涡流比和滚流比为目的的评价方法不同，该评价方法主要是 针对发动机进气道的特性参数，它假定进气过程为可压缩绝热过程，采用发动机 在9 0 最大气门升程时所对应的流量系数0 t k 和涡流比c u c a 来评价进气道的流 通能力和涡流强度。 ( 3 ) a v l 评价方法 a v l 评价方法以涡流比塑和平均涡流比i 堡i 作为评价方法。 刀 l 刀j ( 4 ) s w r i 评价方法 s w r i 评级方法也用无量纲流量系数c f 和无因次涡流强度n r 对发动机缸内 气流运动及进气道进行评价。 上述不同的评价方法，其侧重点不同。r i c a z d o 评价方法侧重于评价发动机 进气道的性能，而不反映发动机进气道与气缸是否匹配良好。f e v 评价方法则 侧重于发动机进气道与气缸的匹配性。因此，在进行发动机缸内气体流动及发动 机进气道评价时，应当根据经验及要求来选用合适的评价方法。 发动机缸内的气流运动是三维、非定常、伴随传热和摩擦等现象的可压缩气 流运动，其对缸内混合气形成和燃烧过程具有决定性的影响，也影响着发动机的 动力性、经济性、燃烧噪声和有害气体的排放。组织良好的缸内空气运动对提高 柴油机的燃油空气混合速率、提高燃烧速率、促进燃烧过程中空气与未燃燃料的 混合( 热混合作用) 有着重要的作用；同时，组织良好的缸内空气运动对提高汽 油机的火焰传播速率、降低燃烧循环变动、适应稀燃或分层燃烧也有重要的作用。 发动机进气道的流动特性会在很大程度上决定缸内气流运动情况，影响发动机缸 内进气充量大小、气流运动强度大小，进而直接影响空气与燃油的混合、燃烧完 善程度以及废气能量的传递效率等。为获得良好的混合物质量和高燃烧率，进气 道需要组织新鲜充量运动所需要的宏观结构，即缸内大尺度气流运动，如涡流和 滚流等。发动机缸内气流运动的设计、生成与评价方法对研究和完善发动机的燃 烧过程具有重要的意义。 第一章绪论 基于试验方法的缸内气流运动分析一般采用气道稳流试验台，通过测量涡流 和滚流参数来对进气道性能及缸内气流运动进行分析与研究，但是仅凭这两个参 数不能够反映发动机缸内某些特性测试平面内的气流运动特性，未能全面反映缸 内气流运动。本文研究所基于的双特征角新型气道稳流测试系统，结合了国内外 气道稳流试验台的优缺点，具有理想的重复性，不需要特殊的仪器设备或者试验 条件，能够对缸内任意测试平面内的气流运动进行测量，全面、准确地宏观反映 缸内气流运动的真实情况。 研究中提出了特征矢量新型缸内气流运动评价方法，引入特征矢量的概念， 绘制了缸内滚流运动矢量轨迹图，列出了不同气门升程下发动机缸内气流运动特 征矢量表，以分析研究缸内不同气流运动形式的气流强度、作用平面、矢量方向， 宏观反映缸内气体流场的运动特性及分布规律。该基于特征矢量的评价方法在发 动机进气系统的优化过程中，为组织缸内气流最优化作用区域及适当强度的气流 运动、实现发动机性能改善目标提供了新的方法和全面的数据依据。 1 4 2 本课爱主要研究内容 本课题的主要研究工作如下： ( 1 ) 基于双特征角的新型气道稳流测试系统，介绍特征矢量评价方法：引入 特征矢量的概念，说明特征矢量的合成原理，描述特征矢量轨迹图及缸内气流运 动特征矢量表； ( 2 ) 运用特征矢量评价方法，对一款四气门进气道喷射电喷汽油机基础样机 缸内不同测试平面内气流运动强度及矢量方向进行了综合分析研究； ( 3 ) 建立了基础样机进气道稳流特性的计算模型，并进行了缸内流场仿真计 算。通过对比分析仿真计算和试验结果，验证该试验平台及特征矢量评价方法的 准确性； ( 4 ) 对一款空气辅助低压缸内直喷( l p d i ) 样机进行气道稳流试验并分析试 验结果。其中，l p d i 样机于进气道喷射式电喷汽油机样机所开发，并结合了低 压空气辅助喷射系统及喷雾导引燃烧系统； ( 5 ) 运用特征矢量评价方法，基于特征矢量、运动矢量轨迹图及不同气门升 程下发动机缸内气流运动特征矢量表，对基础样机和直喷发动机缸内不同测试平 面内气流运动强度及矢量方向进行了综合评价及对比分析； ( 6 ) 对l p d i 样机相较基础样机的进气道优化效果进行评价。 第二章双特征角新型气道稳流测试平台及特征矢量评价方法 第二章双特征角新型气道稳流测试平台及特征矢量评价方法 汽油机燃烧室及其进气道的设计直接影响到发动机充气效率、缸内火焰传播 速度、燃烧放热速率、爆燃及循环波动、散热损失等汽油机的各项主要性能，故 开发新的燃烧系统及提高内燃机性能与组织合理的缸内气流运动密不可分，其中 发动机缸内气流运动的设计、生成及评价方法尤为重要【2 1 1 。利用气道稳流试验台， 可以获得进气道的流量系数、涡流比及滚流比等相关参数，可以评价发动机缸内 气流运动状态，为发动机进气流动模拟和进气道的优化设计提