（光学工程专业论文）基于cfd的缸内直喷二冲程汽油机雾化特性研究.pdf

q0飞 、1i，手 jjiipifli r r l l f l l ljiiirr f l l r jr j l l jf i i f y 181119 6 s t u d yo ns p r a y c h a r a c t e r i s t i c si nt w o s t r o k ed i s ie n g i n e sb a s e do nc f d a t h e s i si n v e h i c l ee n g i n e e r i n g b y z h a n gx i n g l i a n g a d v i s e d b y p r o f e s s o ry a n gh a i q i n g s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：继鳖孟) e t 期：至! f 竺：i | 名 t 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着能源危机和环境问题的日益严峻，提高燃油经济性和降低排放成为内燃机行业所面临 的两大挑战。传统二冲程汽油机因使用可燃混合气扫气，存在短路损失，而具有燃油经济性差 和未燃h c 排放过高等缺点。汽油机缸内直喷( g d i ) 技术的发展为解决这一问题提供了有效 的途径，但同时也对燃油的雾化质量提出了较高的要求。在缸内高压直喷系统中，压力旋流喷 油器因雾化质量好、贯穿距离适度等优点而得到了广泛的应用。 本文在深入研究燃油喷射雾化机理的基础上，应用c f d 技术对直喷式二冲程汽油机的喷雾 特性开展了以下研究工作： 首先，以压力旋流喷油器为研究对象，建立喷嘴内部流场的物理模型和数学模型，并利用 c f d 软件对其内部两相流动进行三维数值模拟，分析工况参数和几何结构参数对喷嘴流动特性 的影响；然后，建立适合g d i 汽油机喷雾混合过程的数学模型和物理模型，并对模型的有效性 进行验证；最后，利用喷嘴内部两相流动计算结果和验证过的喷雾模型借助a v lf i r e 软件对 定容室内旋流喷油器的喷雾过程进行三维数值模拟，并分析不同因素对喷雾特性的影响，从而 为缸内直喷燃油喷射系统的优化设计提供理论依据和技术储备。 关键词：二冲程汽油机，缸内直喷，喷雾特性，c f d ，数值模拟 基于c f d 的缸内直喷二冲程汽油机雾化特性研究 a b s t r a c t i m p r o v i n gf u e le c o n o m ya n dr e d u c i n ge m i s s i o n sa r et h eg r e a tc h a l l e n g e st ot h e i n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ei n d u s t r yb e c a u s eo ft h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u se n e r g ya n de n v i r o n m e n tp r o b l e m s a s f o rt h et r a d i t i o n a lt w o s t r o k eg a s o l i n ee n g i n e s ，t h es h o r t - c i r c u i t i n go ft h e 能s hc h a r g ed u r i n gt h e s c a v e n g i n gp r o c e s sr e s u l t si nt h ep o o rf u e le c o n o m ya n dh i g he m i s s i o nl e v e l t h ed e v e l o p m e n to f g a s o l i n ed i r e c ti n j e c t i o n ( g d i ) t e c h n o l o g yp r o v i d e sa ne f f e c t i v ew a yt os o l v et h ep r o b l e mm e n t i o n e d a b o v e ，m e a n w h i l e ，t h ew e l l a t o m i z e ds p r a yi sr e q u i r e d p r e s s u r e - s w i r li n j e c t o ri sw i d e l yu s e di ng d i i n j e c t i o ns y s t e md u e t oi t sa d v a n t a g e so fg o o da t o m i z a t i o nq u a l i t y , m o d e r a t ep e n e t r a t i o na n ds oo n b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ea t o m i z a t i o nm e c h a n i s m ，t h es p r a yc h a r a c t e r i s t i c so ft w o s t r o k e d i r e c ti n j e c t i o ne n g i n ea r es t u d i e db yc f dt e c h n o l o g y f i r s t l y ，t h ep h y s i c a lm o d e la n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep r e s s u r e - s w i r li n t e r n a lf l o wf i e l da r e e s t a b l i s h e da n du s e dt oa n a l y z et h ee f f e c t so fw o r k i n gp a r a m e t e r sa n di n t e r n a lg e o m e t r yo nt h ef l o w c h a r a c t e r i s t i c sw i t ht h r e e - 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 s e c o n d l y , t h es u i t a b l em o d e l sf o rg d i s p r a ya r ee s t a b l i s h e da n dv a l i d a t e d f i n a l l y , b a s e do nt h es p r a ym o d e l sv a l i d a t e da n dt h er e s u l t so f t h e i n t e r n a lf l o ws i m u l a t i o n ，a v lf i r ei sa p p l i e dt os i m u l a t et h es p r a yf r o map r e s s u r e - s w i r li n j e c t o ri na c o n s t a n tv o l u m e ，a n dt h ei n f l u e n c e so fi n j e c t i o np r e s s u r e ，a m b i e n tp r e s s u r ea n di n t e r n a lg e o m e t r yo n t h es p r a yc h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e d t h er e s e a r c hp r o v i d e st h et h e o r e t i c a lr e f e r e n c ea n dt e c h n i c a l r e s e r v ef o rt h eo p t i m i z a t i o n d e s i g no f t h ef u e li n j e c t i o ns y s t e mi ng d ie n g i n e s k e yw o r d s ：t w o s t r o k eg a s o l i n ee n g i n e ，g a s o l i n ed i r e c ti n j e c t i o n , s p r a yc h a r a c t e r i s t i c s ，c f d ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， ， 一 ， 一 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 弓i 言l 1 2 二冲程汽油机缸内直喷技术2 1 2 1 缸内直喷技术的发展。2 1 2 2 二冲程汽油机直喷技术研究现状5 1 2 3g d i 技术存在的问题6 1 3c f d 技术在内燃机研究中的应用7 1 3 1g d i 发动机喷雾模拟研究现状8 1 3 2c f d 模拟仿真软件9 1 4 本论文的研究工作9 第二章雾化机理与喷雾特性1 1 2 。1 雾化机理ll 2 1 1 初次雾化过程l l 2 1 2 二次雾化过程13 2 2 喷雾特性1 4 2 2 1 喷雾的宏观特性1 4 2 2 2 喷雾的微观特性1 5 2 3 喷雾过程中的其他现象l6 2 3 1 液滴的蒸发1 6 2 3 2 液滴的碰撞聚合1 6 2 3 3 液滴的湍流扩散1 7 2 3 4 液滴的碰壁1 8 2 4 本章小结1 8 第三章喷雾混合过程模拟的基本方程和数值解法1 9 3 1 数学模型1 9 3 1 1 气相控制方程1 9 3 1 2 液相控制方程21 3 2 物理模型2 3 3 2 1 破碎模型2 3 基于c f d 的缸内直喷二冲程汽油机雾化特性研究 3 2 2 湍流扩散模型2 6 3 2 3 液滴碰撞聚合模型2 6 3 3c f d 数值计算方法2 7 3 3 1 有限体积法2 8 3 3 2s i m p l e 算法2 8 3 3 3 气液相之间耦合计算。2 9 3 4 本章小结3 0 第四章喷雾边界喷嘴内部流动研究3l 4 1 喷嘴内部流动的模拟3 l 4 i 1 气液两相流动的控制方程3l 4 1 2 气液分界面的确定3 l 4 1 3 喷嘴流动特性参数的计算3 2 4 1 4 喷嘴内部流动计算模型3 3 4 2 计算结果与分析3 4 4 2 1 气液两相流场的建立3 4 4 2 2 喷射压力对喷嘴流动特性的影响3 6 4 2 3 环境压力对喷嘴流动特性的影响3 8 4 2 4 入口直径对喷嘴流动特性的影响3 9 4 2 5 喷孔直径对喷嘴流动特性的影响4 0 4 2 5 切向入口角度对喷嘴流动特性的影响4 l 4 3 本章小结4 2 第五章喷雾过程的数值模拟。4 3 5 1 喷雾模型的验证。4 3 5 2 喷雾特性影响因素研究4 4 5 2 1 喷射压力对喷雾特性的影响4 5 5 2 2 环境压力对喷雾特性的影响4 7 5 2 3 喷孔直径对喷雾特性的影响4 9 5 2 4 入口直径对喷雾特性的影响5l 5 2 5 入口角度对喷雾特性的影响5 3 5 4 本章小结5 5 第六章总结与展望。5 6 6 1 全文总结5 6 南京航空航天大学硕士学位论文 6 2 工作展望5 7 参考文献5 8 致 射6 2 在学期间的研究成果及发表的学术论文6 3 基于c f d 的缸内直喷二冲程汽油机雾化特性研究 图、表清单 图1 1 化油器式与直喷式系统工作原理图。2 图1 2g d i 发动机不同工作模式3 图1 3 旋流式喷油器外形和内部结构示意图4 图1 4 内开旋流式喷油器的喷雾特性。4 图1 5g d i 发动机的燃烧系统5 图1 6i a p a c 二冲程夹气喷射发动机。6 图1 7 低压空气辅助喷射喷油器6 图2 1 射流破碎状态分类1 2 图2 2o h n e s o r g e 图表：射流分裂机理1 3 图2 3 液滴的不同破碎模式1 4 图2 4 高压旋流喷雾结构示意图1 4 图2 5r o s i n - r a m m l e r 分布和z 2 分布比较1 6 图2 6 液滴碰撞的类型1 7 图2 7 液滴的湍流扩散示意图1 7 图2 8 液滴碰壁后形态变化1 8 图3 1 液膜破碎过程示意图2 3 图3 2t a y l o r 类比破碎模型示意图2 5 图3 3c f d 工作流程图2 7 图3 4p s i c 算法流程图3 0 图4 1 内部流道几何模型和计算网格的l 4 3 3 图4 2 喷嘴内部两相流场的建立过程3 5 图4 3 椭圆标记处的静压和速度分布3 5 图4 4 喷嘴出口处速度分布图3 6 图4 5 不同喷射压力下喷嘴出口速度分布3 7 图4 6 喷射压力对流量系数的影响3 7 图4 7 喷射压力初始喷雾角的影响3 7 图4 8 不同环境压力下喷嘴出口速度分布3 8 图4 9 环境压力对流量系数的影响3 9 图4 1 0 环境压力对初始喷雾角的影响3 9 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 1l 不同入口直径下喷嘴出口速度分布3 9 图4 1 2 入口直径对流量系数的影响4 0 图4 1 3 入口直径对初始喷雾角的影响4 0 图4 1 4 不同喷孔直径下喷嘴出口速度分布4 l 图4 1 5 喷孔直径对初始喷雾角的影响4 l 图4 1 6 喷孔直径对流量系数的影响4 l 图4 1 7 不同入口角度下喷嘴出口速度分布。4 2 图4 1 8 入口角度对流量系数的影响。4 2 图4 1 9 入口角度对喷雾角的影响。4 2 图5 1 定容室计算网格4 3 图5 2 喷雾计算结果对比图4 4 图5 3 不同喷射压力下喷雾模拟结果4 6 图5 4 喷油压力对贯穿距离的影响。4 6 图5 5 燃油喷射压力对s m d 的影响4 7 图5 6 不同环境压力下喷雾模拟结果4 8 图5 7 环境压力对贯穿距离的影响4 8 图5 8 环境压力对s m d 的影响4 9 图5 9 不同喷孔直径下喷雾模拟结果5 0 图5 1 0 喷孔直径对贯穿距离的影响5 0 图5 1 l 喷孔直径对s m d 的影响5l 图5 1 2 不同入口直径下喷雾模拟结果5 2 图5 1 3 入口直径对贯穿距离的影响5 2 图5 1 4 入口直径对s m d 的影响5 3 图5 1 5 不同入口直径下喷雾模拟结果5 4 图5 1 6 入口角度对贯穿距离的影响5 4 图5 1 7 入口角度对s m d 的影响5 4 表4 1 某旋流喷嘴结构参数3 4 表5 1 不同喷油压力下喷雾模拟初始条件4 5 表5 2 不同环境压力下喷雾模拟初始条件4 7 表5 3 不同喷孔直径下喷雾模拟初始条件4 9 表5 4 不同入口直径下喷雾模拟初始条件5l 表5 5 不同入口角度下喷雾模拟初始条件5 3 基于c f d 的缸内直喷二冲程汽油机雾化特性研究 液体密度 气体密度 喷射压力 液体韦伯数 喷孔的直径 旋流室直径 欧尼索数 液体雷诺数 气液相对雷诺数 初始喷雾角 喷雾贯穿距离 k r o n e c k e r 符号 液滴直径 导热系数 湍动能 气流阻力 湍流马赫数 表面张力系数 流量系数 液膜破碎处的厚度 s h e r w o o d 数 液滴表面气体的导热系数 s p a l d i n g 传质数 l e w i s 数 波数 液滴与湍流涡团作用时间 概率密度函数 注释表 ( 注：若文中另有说明，以文中说明为准。) 液体动力粘度 气体动力粘度 环境压力 气体韦伯数 入口直径 入口角度 射流速度 液滴速度 气液相间的相对速度 喷雾锥角 索特平均直径 粘性应力张量 体积分数 液滴质量 湍动能耗散率 液滴截面积 湍流普朗特数 阻力系数 喷嘴出口处液膜的厚度 液滴碰撞概率 s c h m i d t 数 n u s s e l t 数 s p a l d i n g 传热数 扰动波波长 波动增长速率 湍流脉动速度 碰撞冲击参数 肼心p喀b甜 蚱口乃f 占以耽g厅 d批反名 m 6 岛见尸耽以t z黜耻。仅s磊d七m仃甜观峰露& 善 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 内燃机百年来在水、陆交通运输、农业机械和工程机械等领域的动力装置中，始终保持着 主导地位，这是与包括蒸汽机、燃气轮机、蓄电池和现阶段的燃料电池等在内的其它动力装置 艮期竞争的结果。现代内燃机保持着热效率高、功率密度大、t 作可靠性好且成本低的优势， 因此，在可预见的将来，仍将在各种动力装置中保持其独特的优势地位【1 1 。 但是，内燃机的大量使用同时带来了能源与环境问题。内燃机的燃油消耗量在我国原油消 耗总量中所占比例接近6 0 ，此外，内燃机还是人气环境特别是城市大气环境的主要污染源， 有数据显示我国大城市有8 0 以上的c o 、4 0 以上的n o 。和2 0 3 0 的颗粒物均来自于内 燃机的排放。因此，提高内燃机的燃油经济性、降低排放成为内燃机行业迫切需要解决的问题。 二冲程汽油机因结构简单、升功率高、成本低廉而广泛应用于摩托车、小型汽车、赛艇等 领域。但相对丁：四冲程发动机而言，二冲程发动机的发展一直很慢。这主要是冈为传统的化油 器式二冲程发动机在换气方面存在着以下的问题： 1 ) 换气时间短。四冲程发动机有专门的进气和排气冲程，换气时间长达4 1 0 0 4 8 0 。曲轴 转角；而- 二冲程发动机的换气过程只有1 3 0 0 1 5 0 。曲轴转角，仅相当四冲程发动机的1 3 左右。 2 ) 换气重替期长。四冲程发动机换气重替期只有2 0 0 8 0 0 曲轴转角左右，而二冲程发动 机在整个扫气期间均为换气重叠期。 3 ) 以空气和汽油的可燃混合气扫气，这样在换气过程中可燃混合气直接从排气口流失，形 成短路损失。 4 ) 扫气不彻底，残余废气系数人。 冈此，二冲程汽油机的换气方案对发动机的性能有很大的影响。根据新鲜充量在气缸中流 动的性质，扫气形式可以分为回流扫气、直流扫气和横流扫气三种【2 】。然而，无论采用哪种扫 气方式，可燃混合气都会或多或少地损失，所以燃油经济性筹和未燃h c 排放过高的缺点是不 可避免的。 近年来，一种以1 均质、充量浓度分层、稀薄燃烧为特征的汽油机缸内直接喷射( g a s o l i n e d i r e c ti n j e c t i o n ，g d i ) 技术的出现为解决二冲程汽油机存在的上述问题提供了有效的途径。将 缸内直喷技术应用于二冲程汽油机上，理论上可以完全消除新鲜充鼍的短路损失( 见图1 1 ) 。 从图中可以看出，燃油是在换气过程结束后直接喷射到缸内的，这样，就可以实现纯空气扫气， 从而极人地改善- 二冲程发动机的燃油消耗率和排放水平。而针对低负荷时残余废气可能导致的 不完全燃烧的问题，在缸内直接喷射燃烧系统中，可以采用加大扫气给气比降低残余废气量并 1 基于c f d 的缸内直喷二冲程汽油机雾化特性研究 采用分层燃烧技术。 传统化油器式 缸内直喷式 一 ， 一空气- 未燃混合气 i s 燃油1 废气 图1 1 化油器式与直喷式系统t 作原理图 1 2 二冲程汽油机缸内直喷技术 1 2 1 缸内直喷技术的发展 从文献调研的情况来看，缸内直喷( g d i ) 技术的研究主要集中在四冲程发动机上。自1 9 8 3 年开始，车用四冲程汽油机中，化油器逐步被电控进气道喷射( p o r t f u e li n j e c t i o n ，p f i ) 系统 代替。该系统利用各种传感器检测发动机和汽车的各种状态，经微机的判断、计算，确定喷油 脉宽、点火正时等参数。在闭环控制系统中采用氧传感器反馈控制，可使空燃比控制在1 4 7 附 近，以满足三元催化转换器( t h r e e - w a yc a t a l y s t ，t w c ) 的t 作需求，同时降低c o 、h c 和n o 。 的排放。经过多年的发展，进气道电控汽油喷射系统已趋于完善，成为当今汽油机的主流，处 于垄断地位。但进气道电控汽油喷射系统有以下3 方面的不足：1 ) 冷启动时i - i c 排放过高；2 ) 完全依靠节气门开度来调节负荷的大小，在低负荷时泵气损失大、机械效率低；3 ) 发动机基本 按理论空燃比运转，燃油经济性较差【3 】3 。 为了提高汽油机的燃油经济性，开始了稀薄燃烧技术的研究。在汽油机中，把混合气的实 - 际空燃比a f 大丁二化学计量比1 4 7 的燃烧称为稀薄燃烧。但是，在p f i 汽油机上实现稀薄燃烧存 在以下难点：1 ) 混合气过稀难以点燃；2 ) 稀薄燃烧火焰传播速度变慢，燃烧持续期变长，严 重时会导致缸内熄火，使功率和燃油经济性都恶化，并产生较多的朱燃碳氢( u b h c ) 。而采用 混合气分层燃烧不但可以解决均质稀燃汽油机着火不稳定和燃烧速度慢的缺点，而且可以提高 稀燃空燃比的上限。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 缸内直喷( g d i ) 技术正是在这种背景下发展起来的。实际上，对缸内直喷系统的研究要 比迸气道电控汽油喷射早。早在2 0 世纪5 0 年代德国的b e n z3 0 0 s l 车型，7 0 年代美国t e x a c o 的 t c c s 系统和f o r d 的p r o c o 系统就曾经采用过睁引。这些早期的g d i 发动机总体上来说，限于当 时的内燃机制造和控制水平，其性能并不是很好，只能在很小的工况范围内工作，且结构复杂， 成本较高，因而没有得到实际的应用。2 0 世纪9 0 年代后半期，以数值模拟和可视化为代表的内 燃机研究手段得到快速发展，同时精度高、响应快的电控技术日趋成熟，使g d i 汽油机的研究 得到长足的发展。 三菱公司在1 9 9 6 年推出世界上第一款商品化g d i 发动机。继三菱公司之后，丰田公司也在 1 9 9 6 年推出了商品化的g d i 发动机，命名为d 4 发动机，丰田公司称d 4 型g d i 发动机可降低油耗 3 0 左右、功率提高约l o 。日产公司作为第三家商品化g d i 公司，在1 9 9 7 年推出了n e o d i 缸 内直喷汽油机。在欧洲，雷诺汽车公司也于1 9 9 9 年研究开发了商品化g d i ，这标志着欧洲也开 始了g d i 发动机的商品化。之后，大众公司于2 0 0 0 年将g d i 发动机装在l u p o - 1 4 l 轿车上，雪铁 龙公司于2 0 0 1 年推出了g d i 产品。随后，菲亚特、戴姆勒一克莱斯勒公司和宝马公司也相继推 出了自己的g d i 产品。 目前，市场上的g d i 汽油机根据工况采用不同的混合燃烧模式【9 】( 见图1 2 ) ：中小负荷时， 为了获得较好的燃油经济性，燃油在压缩冲程后期喷入燃烧室，形成非均质的混合气，在火花 塞周围的混合气较浓，远离火花塞区域为稀薄混合气，全局空燃比为2 5 - 4 0 ，为分层稀薄燃烧， 燃油消耗下降率高达3 5 ：在大负荷时，为了得到较高的动力性，燃油在进气冲程早期喷入燃 烧室，燃油与空气在燃烧室内充分的混合，为均质当量比燃烧，动力性比p f i 提高1 0 左右【1 0 l 。 g d i 发动机的不同工作模式对其喷射系统和燃烧系统都提出了很高的要求。 分层稀薄燃烧模式均质混合燃烧模式 图1 2g d i 发动机不同工作模式 g d i 发动机的这种工作模式对燃油喷射系统提出了较高的要求：既要满足全负荷时在进气 行程内的喷射，而且还要满足部分负荷时在压缩行程后期即活塞接近上止点时的喷射，因此它 的喷射压力要达到5 - - - 1 2 m p a ，同时为确保快速形成良好的混合气，g d i 喷油器能够产生雾化程 度较高的喷雾，即大多数g d i 若要达到较低的未燃碳氢( u b h c ) 排放和循环变动，其油滴的 3 基于c f d 的缸内直喷二冲程汽油机雾化特性研究 索特平均直径( s a u t e rm e a nd i a m e t e r ，s m d ) 应小于2 5 p m ，而进气道喷射的喷雾特性对燃烧过 程的影响较小，s m d 在2 0 0 岬时即可满足要求【1 1 】：喷油器还应具有较高的动态响应性，晚喷时， 它能在较窄的喷射脉宽内喷出预期数量的燃油，实现分层燃烧；此外，喷油器位于缸内，工作 条件恶劣，要求它对嘴端沉积物的生成和高温有更强的耐受力。 针阀 图1 3 旋流式喷油器外形和内部结构示意图 内开旋流式喷油器( 见图1 3 ) 是目前g d i 发动机上应用非常广泛的一类喷油器。液体在高 压作用下从切向入口进入喷嘴内部流道从而产生涡流，同时由于离心力的作用，液体会依附在 喷嘴内部流道壁面，并在靠近喷孔处产生气液分离现象，在喷孔出口中心处形成空气回流，液 体则靠近喷孔壁面以液膜形式喷出。 这类喷油器能根据负荷要求提供所需的喷雾形状( 见图1 4 ) ：大负荷时，由于是在进气行 程早期喷射燃油，缸内压力比较小，喷雾呈现中空扩散的圆锥型，这样不仅可以加快喷雾在燃 烧室内的扩散，而且可以进一步扩大它与周边空气的接触面积，即便是在比较低的燃油喷射压 力下，油束仍能保持较好的雾化水平，满足均质燃烧的要求；中小负荷时，在压缩行程后期喷 油，形成比较紧凑的喷雾结构，通过纵涡流使喷雾迅速汽化，保持可燃混合气以分层状态输运 到火花塞附近，实现稀薄燃烧。 4 进气行程喷射压缩行程喷射 啊啊 空心锥形喷雾紧凑形喷雾 图1 4 内开旋流式喷油器的喷雾特性 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 在g d i 发动机中，为了使混合气在中小负荷实现分层，燃烧系统的设计非常重要。它依靠 燃烧室形状、气流运动和喷雾形态的相互配合形成所需的分层混合气。按混合气形成的方式不 同，可以分为三种【12 1 ，如图1 5 所示。 ( 1 ) 喷雾引导( s p r a y - g u i d e d ) 在喷雾引导的g d i 发动机中，火花塞与喷油器布置得很近，并位于燃烧室中心或附近。这 样布置结构简单，火花塞周围容易形成较浓的混合气，并在较小的空间范围内产生有效的混合 气分层，同时采用强涡流保持混合气分层的稳定性，有实现更稀薄燃烧和扩大稀燃区域的潜力， 成为许多厂家和科研机构开发的下一代燃烧系统，是分层稀薄燃烧系统发展的一个重要方向。 ( 2 ) 壁面引导( w a l l - g u i d e d ) 在壁面引导的g d i 发动机中，中间布置火花塞，侧面安装喷油器。喷油器将燃油直接喷射 到燃烧室内，利用特殊的活塞凹坑形状配合气体滚流运动，将燃油蒸汽导向火花塞，并在火花 塞周围形成合适浓度的混合气。 ( 3 ) 气流引导( a i r - g u i d e d ) 气流引导的g d i 发动机将喷油器和火花塞远距离布置。与壁面引导相比：喷油器不再把燃 油直接喷向活塞顶凹坑内，而是对准燃烧室的中心喷向火花塞( 但是不朝向火花塞电极) ，综合 利用进气道和活塞表面，在缸内形成的滚流与涡流运动实现混合气的分层。 喷雾引导壁面引导气流引导 图1 5g d i 发动机的燃烧系统 1 2 2 - - - ；0 程汽油机直喷技术研究现状 二冲程发动机直喷系统的基本方案包括：缸内高压燃油喷射【1 3 1 5 l 、电控低压缸内燃油喷射、 机械式空气辅助燃油喷射【1 6 1 、电控燃油夹气喷射等。 其中，奥地利a v l 公司开发的半直接喷射系统( s e m i d i r e c ti n j e c t i o n ，s d i ) 属于电控低压 喷射。该系统采用的是汽车汽油电控喷射通用的喷嘴，喷嘴位于第三扫气口上，根据供油脉冲 控制喷油。在其研制的2 4 0 m l - - - - 冲程汽油机上试验，油耗下降了3 0 ，h c 下降了6 0 ，c o 下降 了7 0 。但由于该系统仍然是在扫气行程中进行燃油喷射，所以还是存在部分“短路损失”的。 在夹气喷射系统方面，法国石油科学研究院( i f p ) 1 1 8 - 1 9 1 f ：发的i a p a c ( i n j e c t i o n a s s i s t e dp a r 5 基于c f d 的缸内直喷二冲程汽油机雾化特性研究 a i rc o m p r i m e ) 系统( 图1 6 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扫气，从扫气孔和项部进气门进入气缸，在顶部气门处，喷射的汽 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，燃油消耗率下降 2 5 以上，未燃h c 排放下降7 0 9 0 。但是也存在着以下缺点：整个系统多了一套配气机构而 显得复杂；稳压管的空气压力低，排气口闭合后不能充分向缸内供给空气和燃料。 喷油器 ， 口 燃油压力0 空气压力o 6 5 空气 燃油喷射 图1 6i a p a c 二冲程夹气喷射发动机图1 7 低压空气辅助喷射喷油器 夹气喷射的另一个典型例子是o r b i t a l 公司基于o c p ( o r b i t a lc o m b u s t i o np r o c e s s ) 的低压空 气辅助直喷( a i r - a s s i s t e ds y n e o e e td i r e c ti n j e c t i o n ，a s d i ) 系统 2 0 1 ，该系统的关键在燃油喷射 系统上，喷油器置于气缸的上方，由常规的低压燃油喷嘴和空气喷射喷嘴组成，其结构如图1 7 所示。燃油喷嘴位于上部，它在计量燃油的同时以一定压力( o 8 m p a 左右) 把燃油喷到下部的 空气喷嘴( 其压力维持在0 6 5 m p a 左右) 的混合腔中，并跟腔内空气在一定程度上混合后再喷 入气缸，形成燃油气化的雾状气和非常细的油滴。 国内对二冲程汽油机直喷技术的研究较少，近年来，西安交通大学、天津内燃机研究所、 武汉理工大学在这方面做了许多的研究工作。其中，天津大学的蔡晓林1 2 1 1 已经将成本低、简单 可靠的新型脉冲式f a i ( f r e e a r m a t u r ei n j e c t i o n ) 燃油喷射单元成功地应用于1 0 0 c c 排量的二冲程， 摩托车发动机，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 1 0 0 型摩托车样车，进行了初步整车试验。南京理工大学的袁隆华喇用缸内高压直喷 方案对w j l e 6 8 f m 2 型汽油机进行了改装，并进行了台架试验和6 0 0 0 k m 道路可靠性试验，结果 表明，在燃油经济性和排放性这两方面都有明显的改善。 1 2 3g d i 技术存在的问题 1 排放问题【2 3 1 6 南京航空航天大学硕士学位论文 g d i 发动机可以极大地提高燃油经济性。但其排放，总体讲要高于传统使用三元催化转化 器的进气道喷射汽油机。其排放问题主要有： 1 ) 中小负荷下未燃h c 排放较多。原因有：采用混合气分层时引起火焰从浓区向稀区的熄 灭，稀燃造成缸内温度偏低，不利于未燃h c 随后的继续氧化；远距离方式组织的燃烧系统因喷 雾碰壁较多，而活塞项和缸壁的温度低，形成较多h c 。 2 ) 采用较大的空燃比后，气缸内的反应温度较低，可使n o 。排放有所降低，但混合气分层 将不可避免地在火花塞附近出现混合气过浓或浓混合气区域过大的状况，这些区域恰恰是高温 区域使n o x 生成增加。另外，稀燃时由于排气中始终处于氧化氛围，使n o x 的还原比较困难。 3 ) 低负荷、过渡工况和冷起动的情况下微粒排放高。这主要是由局部地区过浓的混合气或 未蒸发的液态油点火滴扩散燃烧所引起，缸内温度低也造成了微粒氧化不完全。 2 催化器问题【2 4 l 传统的三元催化器同时净化n o 。、c o 和h c 这3 种排放物的效果只有在理论空燃比下才能实 现。而g d i 汽油机工作在较大的空燃比条件下，富氧的环境使传统的三元催化器的转化率不高， 限制了它在g d i 汽油机上的应用。 1 3c f d 技术在内燃机研究中的应用 c f d 是英文c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( 计算流体动力学) 的简称，它伴随着计算机及 数值计算等技术的发展而得到广泛的应用 2 5 - 2 7 1 。c f d 的基本思想可以归结为【2 8 】：把原来在时间 域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集 合来代替，通过一定的原则和方式建立关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后 求解代数方程组获得场变量的近似值。 c f d 可以看做是在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程) 控制下 对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基 本物理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定旋 涡分布特性、空化特性及脱流区等。还可据此算出相关的其他物理量，如旋转式流体机械的转 矩、水力损失和效率等。此外，与c a d 联合，还可进行结构优化设计等。 c f d 技术的优点是适应性强、应用面广、不受物理模型和实验模型的限制，灵活性大、能 提供详细而完整的流场信息、很容易模拟特殊尺寸、高温、易燃等情况下的物理场。由于发动 机缸内的物理现象极其复杂，具有各种流体力学及各种化学动力学现象，因此，c f d 技术在内 燃机工作过程仿真中同样发挥着不可替代的作用【2 9 1 ，并已成功地应用于内燃机的喷雾、燃烧以 及排放物生成的分析和优化。 7 基于c f d 的缸内直喷二冲程汽油机雾化特性研究 1 3 1g d i 发动机喷雾模拟研究现状 对g d i 发动机而言，燃油喷雾特性将直接影响到发动机的燃烧、排放物的生成、燃油消耗 率等性能指标。因此，国外从上世纪9 0 年代就开始对g d i 发动机的燃油喷雾特性进行研究。 h a n 3 0 等人通过对g d i 旋流喷油器内