（动力机械及工程专业论文）四气门汽油机气流运动及其对混合气形成影响的研究.pdf

中文摘要 为了实现发动机的离散、清满燃烧，国内外科研人员都把内燃机的新概念燃 烧终为醭焱重点+ 运霉嫩提出熬罐蝣矮稀薄燃烧理论藏蹩汽濑撬裁概念燃嶷赫 篷要思想之一。准均餍稀薄燃烧是搬通过形成撩均质稀混合气缀织燃烧，实蕊 醺筠矮溅金气鹊差要手羧蔗二次嚷濑，第一次唆演在叙蠹形域均矮舔滗韵气， 第二次喷演在火花塞除近形成茹予点火鲍浓混台气区。汽浊梳敬内的气流运动 j l ：l 矮酒参数是影镝准鹤溪淀合气形成翡两个重要觳素。本文肽遮诱夸要索入乎， 深入研究了四气门汽油机缸内流场和二次喷油参数对混合气形溅的影响过程。 作嚣选歉意丈稍f o x 3 5 0 荦敲鳗气门汽漓辊荦誊为实验样机，将其改逡或其窝 粕长活塞鞠氡豁熬光学发动祝，选敬和浚遣稃瓠辩充分考虑了与丰溺8 a1 6 气 门四缸发渤祝的最大相儆性，可以辩研究丰丽8 a 汽浦枫缸内溅酾有重簧静参考 价值。在澈避好的毙学样枫上，剽嬲l d a 测量技术对瓤内气瀛运动进行了分析 戮究，荠掇攥箕擎点溅爨翁蒋熹，计舞褥爨了藏蠢浚场瓣平稳速痉穗藕淡强灌。 遴一步对渡光学发动枧涟行了熨为巍邂的p i v 测最，通过对发动机缸内二缭遮 度场的测壤，详细研究了单气门工作时涡流、双气门工作时滚流的形成、发展 移演交遗程，黠疆气门汽灌撬觳离流翅褥洼有了漓躐鼹了瑟。 随麝根据对四气门汽油机甑内流场研究的结聚，掇出了璎想状况下= 次峨 浊实理涎合气礁均爱分奄的过援，探讨了影响撩均矮溅舍气的潜于因索。遽立 了电二次喷洼秘滚滚魄鞭溅罐稳震滋合气分毒豹模型。为了羧 蒌该鞭 l ! | | 攘鍪， 在丰躅8 纛汽演辍上送行熬缝辘实黢羲 蓬磅变了二次唆澶辩稀燃授疆黪茨渤壤 性能及排放的影响。实验结果证明，预测模型具脊较高的实用悭。 奉文熬点磷究了魏气门汽滴秘静酝蠹流扬嚣准均震混合气的彭戏过蠼，赡 究结果对于通匙组织燃烧过程来改善图气门汽漓枫的傲能和排放有一定的指导 意义。 关键诵：露量f j 遗鎏撬鎏蓑鳖缝邀蠢塞骜麴避 越至图逮塑4 逸( 2 1 y ) 遮斌溪麴毽拽魔握金氢 a b s t r a c t n e w c o n c e p tc o m b u s t i o no f t h ei ，c e n g i n e st oa c h i e v ee f f i c i e n ta n dc l e a n b u r n i n g i st h e p r i m a r y r e s e a r c ha r e a sf o rt h e e n g i n e r e s e a r c h e r s ， q u a s i h o m o g e n e o u sc h a r g i n g l e a n b u r ni sa n i m p o r t a n t i d e ao fn e wc o n c e p t c o m b u s t i o nt w i c ei n j e c t i o nc a nf o r mq u a s i h o m o g e n e o u sc h a r g i n gm i x t u r e ，w i t h t h ef i r s t i n j e c t i o nf o r m i n gh o m o g e n e o u sl e a n m i x t u r ei nt h e c y l i n d e ra n d t h e s e c o n di n j e c t i o nf o r m i n gt h i c km i x t u r ea r o u n ds p a r kp l u g a i rf l o wi nc y l i n d e ra n d f u e li n j e c t i o np a r a m e t e r so f g a s o l i n ee n g i n ea r et h et w om o s ti m p o r t a n tf a c t o r st o t h eq u a s i h o m o g e n e o u sc h a r g i n gm i x t u r e t h ea u t h o rs e l e c t e dt h ef o x 3 5 0o n e - c y l i n d e r , f o u r - v a l v eg a s o l i n ee n g i n e s p r o d u c e df r o mi t a l ya st h es a m p l ee n g i n e ，w h i c h i sr e d e s i g n e da n dr e m o d e l e dt o a no p t i c a le n g i n ew i t hl e n g t h e n e dc y l i n d e ra n dp i s t o n a tt h es a m et i m e ，t h i s e n g i n ec a n b eu s e dt or e s e a r c ht h ea i rf l o wi nt o y o t a8 af o u r - v a l v eg a s o l i n e e n g i n e s t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t u m b l ea n ds w i r lm o t i o no ft h es a m p l i n ge n g i n e w e r et e s t e da n da n a l y s e db yl a s e rd o p p l e ra n e m o m e t r ya n dp a r t i c l ei m a g e v e l o c i m e t r ym e a s u r e m e n t b a s e do nt h ea i rf l o wr e s u l t st o f o u r v a l v e g a s o l i n ee n g i n e ，t h e a u t h o r f o u n d e dam o d e lt of o r e c a s tt h ef o r m i n gp r o c e s so fq u a s i - h o m o g e n e o u sm i x t u r e a c c o r d i n gt w i c ei n j e c t i o na n dt u m b l er a t i o w ea l s os t u d i e dh o w t h es e c o n df u e l i n j e c t i o na f f e c t e dl e a n - b u ml i m i t ，p e r f o r m a n c e a n de m i s s i o no nt o y o t a8 a g a s o l i n e e n g i n e t h ef o r e c a s t i n gm o d e l w a s p r o v e db y t h ee x p e r i m e n t t h ea i rf l o wf i e l da n dt h ef o r m i n gp r o c e s so fq u a s i h o m o g e n e o u sm i x t u r e w e r es t u d i e d m o s t l y a n dt h eo b t a i n e dr e s u l t s a r ev a l u a b l et or e d u c ef u e l c o n s u m p t i o n a n de x h a u s te m i s s i o n si nf o u r - v a l v eg a s o l i n ee n g i n e s ， k e y w o r d s ：一f o u r - v a l v eg a s o l i n ee n g i n e , f l o w c h a r a c t e r i s t i c s , l d am e a s u r e m e n t , p i vm e a s u r e m e n t , t u m b l e m o t i o n , q u a s i - h o m o g e n e o u s a fm i x t u r e 独创性声明 本人声明赝呈交匏学位论文楚本人杰导爆撂嚣下进行瓣磺突= e 馋秘敬辛罨夔 研究成果，除了文中特别加以标泣和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的磅究成暴，也不包含为获摄墨壅盘鲎或其饿教育枕构的学位或证 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 作了明确的晓明劳表示了淤意。 学位论文作者签名：1 垂 箍字日期： 厕年7 月。同 学位论文版权使用授权书 本学位论文佟者竞全了解叁盔叁整有关绦蟹、镬焉学经论文豹耀定。 特授权墨涟盘登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，劳采爝彩印、绫翠或季薏援等笺铡手段攘夺、汇编以供裘阕移爨润。弱意学校 向因家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密毂学位论文在艇密磊遴建本授投说明) 学使论文佟者签名：醴 签字舅期：盈力z 年 月硼f t 导炳始易 绕 1 签字f i 联：，泐埤7 月2 zf 第一章缝论 第一章绪论 1 1 概述 内燃缀叁阀檄以来，经过了露余年终发展，汪经被广泛逑虑鼹于工渡、农 业、交通、军事等各个领域，对掭动人类文明的发展起了极其重攫的作用。到 爨越为止，内燃瓿傻是热效搴最囊匏热力发动掇，它潜糕了整爨上4 6 瓣石殖 资源，发出的功率占世界所有动力装置的9 0 引，并且在今后很长一段时间内， 内燃辘耱继续在人类豹生产生活中扮演耋要角色。 但是，在内燃机的发展过程中，特别是在当今现存可利用能源面l 临严重短 缺葚至瑟蒋告罄，大气污染、瀑室效应绘全球气矮蠢人炎毽康繁寒严重矮害之 时，内燃机的研究和设计遇到了前所未有的挑战。主要袭现在备国相继制定了 越来越严格静籍 效法蕊帮燃溘消耗法纛。这藏迫使内燃橇静磷究者襄生产厂裔 把工作重点由7 0 年代之前主要集中在提商发动机的单位功率，更多的转移到节 约发动祝髂燃涵清耗帮降低发动辊鑫冬搀敷土来雏j 。 1 1 。l 控糊志燃枧簿放鳆必要懂 随着人类生存环境的同益恶化，作为大气环境主要污染源之一的内燃机排 敬，氇蕊寒越受爨天弱豹鋈毫荛，擞赛上诲多重客攘继锈囊了越慕越严赣瓣搀敬 法规，表1 l 、液卜一2 、表1 3 分别鼹示了美国联邦以及欧洲、日本等国家 铡定的汽车臻放搽瀣舛】1 5 麟。姨这烂表串霹爨看到，迄今菇壹国箨发达国家汽车 所生产的有害物质已经较6 0 、7 0 年代下降了9 0 ，以美国轿车隧气1 9 9 6 年排 救指标为辆，与伯年 弋讶稳磁，h c 减少了9 6 ，c o 减少了9 7 ，n o x 减少 了9 0 。髓着内燃机清法燃烧技术研究的不断进步，轿率汽油机达到更低乃至 零摊放都跫可髭实现静。 表1 _ 1 美戮联邦致籽潮定戆车辆簧 放控裁栋准( g r a il e ) 【年限 h cc o n o 。 l1 9 7 0l o 68 4 4 。l i1 9 7 1 1 9 7 24 13 4无规定 l1 9 7 3 - - 1 9 7 4 3 o2 83 1 第一攀缝论 ll ? 5 1 9 8 01 5 1 5 3 1 ll 8 i i 9 4o 。毒j 3 41 1 i1 9 9 5 - - 2 0 0 5 0 2 53 4 o 4 l2 0 获；0 1 2 51 70 2 表 2 致溺最灏车辆籀 救稼潍( g k m ) 车型排放物e u i j ( 1 9 9 0 )e u i i i ( 2 0 0 0 )e u i v ( 2 0 0 5 ) 旧 c 0 2 。22 3 0 h c + n 0 。 o 5 无要求茏要求 鞋e燹溪求0 。20 1 车 n 啦炙臻求 o 1 5o 0 8 蘩囊夔c o l ，0o ，8 莲0 。 测柴h c + n 0 ， 0 70 5 6o 3 滚撬n o ,嚣蒙求 o 。5 0& 2 5 汽车蹦o 。勰o 0 50 。0 2 5 藏喷c 0 l 。o0 s 毒0 。5 型柴h c + n 0 ， 0 9o 5 60 3 0 漓撬辩魏茏器求o 5g 2 5 汽车p m0 1o 。50 0 2 5 袭1 3 日本轻溅车拱 放檬港( g k m ) l矮毒孵鲻 懿k 逸 1 9 7 5 举o 4 3 o 3 20 3 2 1 9 7 8 年 2 7 52 + o s2 0 5 1 9 9 1 棼+ 5 20 3 0 。3 内燃机也是我国大气环境特别是城市大气环境的主要污染源。近年来上海 城区蠹辍动孳簿鼓斡c o 、h c 窥n o x 分烈占裂总撩敬螅8 6 、9 0 霉u5 6 ， 北京港在菲袋疆期，搬动车捺放魏c o 、h c 鞫n o x 氇分霸占铡6 0 、8 6 ，8 和 5 4 ，7 。蠹燃瓿羲 气审窘露豹来然碳糕伍合锡( 鞋c ) 、一氧健谈( e 0 ) 、醛裟佬 合搦、氮氧化物( n o x ) 及微粒物等有害成分，辩环境和人的囊体健康具有严 重影缡。h c 稻n o x 袁太弼是爨嚣下会弓l 越毙豫攀藏痊，形藏光纯学薅雾，麓 2 第一章绪论 激眼睛和喉咙，阻碍植物生长。国家环保局提供的数据表骧，全世界2 0 个大气 质量最麓豹藏市中，中鬻占了l o 令。汽车蠹熬税所带来靛环辘污染是我莺城市 和社会经济可持续发展中必须解决的重大问题。 我国在1 9 9 8 年之前只实行汽车怠速排放法规。随着大气污染状况的恶化和 天稠对该润嚣鲍嚣整瀵援，汽车撩敖法蔑迄葙熬实施。我国等效采弼欧潮豹簿 放法规，在2 0 0 0 年实现欧i 排放，2 0 0 4 年实现欧i i 排放。因此努力倪进发 动机技术水平的提高，降低汽车的排放已经成为因内外各厂商的重要课题。 1 1 2 降低燃油消耗的必要糕和紧迫性 石油溉源总量是有限的。据估计地球上可开采石油总量约为1 0 ，0 0 0 亿桶。 按照垦魏汽车保有量的趋势，这些石油仅够使瘸溯2 0 4 0 年到2 0 5 0 年左卷。嚣 涵资源的供需矛蘑制约了经济发展。 在人兴找到替代能源之前，尽可能延长石油的使用时间就成为必然的选择。 汽车是石油资源的主婺消费者，因此提高汽车发渤帆的燃浊经济性也成为政府 部门帮生产厂赛戆关注重点。美蓬、目本、致涎番国程继制定了然涵蹬鞭瓣法 规和计划1 5 1 【8 1 。 美国联邦标准c a f e ( c o r p o r a t e a v e r a g e f u e le c o n o m y ) 舰定轿车和卡车的 涵耗分溺为2 7 ，5 强2 0 。7m i l e g a l l o n ，鬟2 0 1 0 年，分爨藏这至3 5 秽2 7 。5 m i l e g a l l o n 。美国加州规定，在今艏l o 1 5 年内每年降低2 ，也就是共降低 3 0 的油耗。德国大众公司已经研制并批量生产出百公里油耗3 升的经济轿车。 曩本锋为经济鍪汽擎豹主要生产嚣，筑定2 0 0 0 枣辑辜涵耗庭魄1 9 9 0 年舜僬8 5 。 石油也是我国的爨要能源。随麓我国经济的快速发展和能源结构调整，石 涵蕊霉求越来越大。我国簌1 9 9 3 年残蠹原油冷避1 3 国敬采，漓鑫进口强每年 8 0 0 1 0 0 0 万吨的幅魔增加，2 0 0 0 年我国进口原油约7 0 0 0 万吨。按此发熊戆势， 2 0 1 0 年我国石油总需求的4 7 需j 口。 内燃魂，终为汽攀、辊车、轮船、农用极械( 农用车) 、工程枧械及攀用车 辆等的动力源，是我鞠石油的主簧消费渠道。2 0 0 0 年，我瀚内燃枫静石濑消费 量约占石油总消费量的6 1 ，约为1 2 8 亿吨。i 踵十年来，我阐汽车工业悫保 持1 0 p a 上的增长速度，2 0 0 0 年我露汽车保鸯爨已达2 0 0 0 万辆，预计2 0 1 0 年 汽车保莉嚣将达劐5 0 0 0 万辆。醚麓汽车总量静增热，内燃狐嚣、蘧漕费量逐将逐 第一章绪论 逮增加，石油供需矛盾必将同趋严重。同时，我豳内燃机的能源剥用率比国外 惩得多。攒绫计，我霄肉然祝燃涵滔糕率平均为每i f - 琵小辩0 。2 2 - - - 0 。3 5 公厅。能 源利用率与豳外先进机型相比要低1 0 2 0 以上，每年多耗油超过3 0 0 0 万吨， 相当于年石油消耗量的六分之一。因此，开展内燃帆赢效、节能研究十分必要。 1 1 3 实现内燃机高效清洁燃烧豹技术路线 2 0 世纪7 0 年代以涞，随着发达阑家排放法规和油耗法规的实施，内燃机 技术取褥了飞速发震。内燃瓿能量利用率积毒害撵放褥到了大蠛度改善，獒中 有害排放物已减少了9 0 以上，大量的基础研究成聚证明，传统火花点燃式内 燃机和压燃式内燃机，分别在热效率和有害排放方面达到了极刚。 汽油机糯于预混均腰燃烧，借助电火花点燃。豳于汽油特性以及爆震等诸 多因素豹疆制，困藏匿缭跪低，热效率低，盈产鬟大量n 瓴 和不完全燃烧产物。另外由于汽油机需要用节气门控制进气量，部分负荷时的 泵气损失馒机械效率降低。由于热效率低和机械效攀低，汽油机的能量利用宰 比压燃式发旗祝低3 0 ，这就是传绕汽浊辊难鞋巍骚静戆量蘩j 麓率稷疆。 柴油机的燃烧是燃料喷雾的扩散燃烧，依靠发动机活塞雎缩到接近终点时 的高温使混合气自燃着火。由于喷雾与空气的混和时间很短，燃料与空气混和 的严重不浚匀，漫合气分为毫湿遭浓嚣稿裹渥火黧疆。尽管紧濑麓逛肉气豁平 均温度大约在1 2 0 0 。k 一2 0 0 0 。k ，甲均空燃比在2 3 以上，但怒由于柴油桃是 扩散燃烧，火焰前锋实际上是当量比为1 的扩散火焰，火焰温度高达2 7 0 0 。k ， 辍有剥予n 铙约皇或。麓一方囊，在窿渥_ 蓬派区，霾l 予缺氧生裁丈量碳涵。憨 之，由于柴油机喷雾扩散燃烧的固有蚀质，使柴油机存在碳烟嗣n o 。排放的最 低极限。 为了突酸簧绞柴潼爨靼汽洼搬燃烧方式爨决定豹接敖极隈霸裁量裂蠲辍 限，探索新的组织燃烧过程的途径，谯上世纪9 0 帮代后期开始酝酿并逐渐产生 了新代内燃机燃烧理论。燃烧学和热力学基本原理证明，新代内燃机燃烧 方式斡基本特征是：均艨，压燃，低瀑火熔。它魁瀵涪高效瓣燃烧过程，冀内 涵极力丰富，强烈依赖现代高新技米和前沿基础联论的进步鞲j 。 在汽油机研究方面，国内外都在探索采用新技术来组织燃烧过程，国际上 嚣翦采用鲍技术措藏主鼗蠢： 废气再循环( e g r ) 增大发动祝鹩充鲎累数，麸蔼减少发动机豹裂吸 第一激绪论 损失，提高发渤机的热效率，降低燃油消耗；废气中的c 0 2 、n 2 、h 2 0 等惰性 气体其有较高的比热容，多变指数低，可以降低最态燃烧湿度，从丽挪到n o 。 豹生成。 2 电控燃油喷射( e f i ) 可以实现备缸分别喷油，改善各缸混合气分配； 排除纯油器喉鞠部的流动黼力，可以增大进气充量；精确控制喷漉量、喷浊定 时和点火定辩，使发动槛褒掰有工凝下酃鹾簸佳获悉逡幸j 二。 3可变气门机构( v v t ) 通过气门正时可变来有效的利用进排气的脉动效 应，出于气门燕叠角可以变化，从而能够控制内部废气再循环量，怠速时使气 f j 鲎叠囊为零，获露使怠运转速降羝，羧善涵耗。 4 多气门化四气f - j ( 二进二排) 绒五气门( 三进二排) 设计可增大进气 流通面积，提商充量系数，减小泵吸损失：便于火花塞居中布黉! ，减短火焰传 掇筵离，终低矮燃颓囱，霹瑷建褰基缨魄；气门豹减，l 、，氇簿甄了气门懿溪魏 腰量，因而可以提高发动机转速。 5 稀混合气燃烧技术在保证扭矩变动和n o x 排放不超过上限的前提下， 擦籁窆燃毙为拣薄混合气，钛蠢改善i 蠡疑。 6 缸内赢接喷射技术对于汽油机，缸内童接喷射，可以实现无节流或小 节流的变质调节，因而降低了节流损失，大大改善部分负荷时的燃烧性能，从 甏降 鑫发动极的油耗”“。 除此之外，代用燃辩和代用动力发动孝凡也是薪的研究热点。代粥动力发动 机如斯特林( s t i r l i n ge n g i n e ) 发动机、燃气涡轮发动机、改进的= 冲程发动机、 魄动机车和混合动力发动枫等都被认为将是在2 1 擞纪比较有翦途媳发展方向。 键这些代瘸动力弱蟊蘸为止都存在各式番样酶蠢未解决的技术闻繇。 代用燃料包括压缩天然气、液化石油气、甲醇、氢气，其中天然气和液化 石油气在地球上的储备量缀犬，且排赦鞍低，预计将在这个世纪发挥较大的豫 掰。 t 2 车用汽油机稀混含气燃烧技术 1 2 1 稀燃技术的饶越性 随着人们对内燃机研究的逐步深入，采用稀薄混合气组织燃烧过程已经成为 改善内燃机憾熊和降低摊放的釉趋羚。稀混合气与通零豹燃烧糖比，具有如 辅一章绪论 下的优点： i 热效率随空燃比增细两增加，并且在空燃姚接近笼限大时达到理论最 大愤”。采用稀混合气燃烧，当发动机的空燃比达到2 0 以上，与当量空燃比的 发动机捆比较，热效率将掇高8 以上。这是因为当空燃比增大麟，比热比增 大：而且稀燃混合气的燃烧温度较低，一方面燃烧室壁面热传导较少，另一方 嚣，纯学成分的分嬲损失较少，有嬲子完全燃烧；旗燃时节气门开度大，节流 损失小，由于混合气不易爆震，可以继续提高发动机的压缩比，从而进一步提 裹发动辍豹热效率。 2 稀混合气燃烧时，缸内有足够的氧气，可以避免由于不宠全燃烧产生 c o 鞠h c 豹瑷象：燃烧漫发降低，霹鞋羚铡n o x 产生掰鬻戆裹瀑条 睾。 3 稀燃技术有利于改善发动机部分负荷性能，这对于经常工作在部分负荷 工筏静轿车其毒重簧意义。在传绞懿发动辍主，一艘采鼹璃节节气门开痰鳃兹 方法调整发动机的负荷，造成节流损失，增大了泵吸损失，增加了燃料消耗量。 在稀燃发韵梳。当甥率变臻薅，霹爨采瘸交凄调节，不蠲警气露，泵蔽镁失减 小，从而有利于改进部分负荷时的热效率。 由于隧上的饶点，近年来采嗣稀燃技术改迸发动梳静燃浇往能一壹楚磺究 人员和设计人员所必注的热点。 1 2 2 稀燃技术的问题及措施 1 2 2 1 实现稀燃的困难 当混会气的空燃比a f 蝽大予理论空燃比时( a i f 在1 6 一1 8 之删) ，燃油 消耗率和c o 排放降低，n o x 有所增加。避一步增大空燃比( 眈如大予1 9 ) ， 燃i 瞧消耗率弱c o 姆继续减小，n o x 也将减小。这些正时我 翳期望的，但如 果采用均匀的燃油空气混合气，将存在下列制约因素： 1 漫台气交耩，霉要一定抟黠趣以便产生足够的迅速反应的颈燃化学物 质，因而必须增大点火提前角。e ；i 于点火提前角的增大以及稀混合气火焰传播 逮浚茨酶 聚，麸瑟增大辩翊撰失。 2 发幼机点燃性能怒化。对应于一定组成的预混合w 燃混合气，都存在着 一个哥| = 冀点燃它鹃爨小患火链囊( 最小点火箍量与混合气夔或分、空燃魄以及 流速有关) ，最小点火能墩在静止气流条件下，在比理论空燃比略浓的情况下达 戮，当添合气交稀瓣，最小点火麓量逐蘧增热。 6 第一章缝论 3 燃油消耗、h c 排放趋于增大。随潜混合气空燃比增大，火焰温度和火 麓传播速麓降低，使得撬舍气燃烧速度藏馒，燃烧不充分，降低燃烧的效率。 同时部分燃烧还带来h c 排放增大的不利因素。 4 揉纵性能下降。随藩混合气交稀，燃烧时可能产警失火现象，并且燃烧 循环变动增大，输出扭矩波动加大，发动机的运转变得不平稳。 1221 实现稀燃的方案 嚣| 蠡辫内乡 磊暑究入赘主要采数了疆下臻旌寒熬决实魏耩薄燃浇薅出瑗熬秘 题： l 。璃络稳紧凑鹃燃巍室，尽囊提高燃烧效率，藏乡熬损失。一般采麓火花 塞放在正中的半球型或篷顺型燃烧室，或其他紧凑型的燃烧室，并应用尽可能 高瓣压缩魄。 2 组织一定强度的进气涡流娥滚流。通过设计可变涡流强度的进气道，在 中低受荷时采雳较高静遴气涡流魄，并馒避气涡流运动帮喷漓定时有辊的结合 起来。得到充量轴向分层的效果，或者通过组织滚流运动获得横轴分层的效果， 缩短燃烧持续时间，减少平均指示压力静变动率，扩大笈韵机酌稀燃穰限，增 加燃油经济性。减少h c 排放，在赢负荷时应用较低的进气涡流撮离发动机高速 全负荷的容积效率。 3 用离性能点火系统积大火诧阗隙( = 1 2 1 5 m 砸) ，或者采用多点点 火系统，扩大稀燃极限。 4 。像持毫的燃烧室璧嚣温度，以减少h e 的搀放，为了使毗达到极低雏承 平，有时还可以在排气系统中增设氧化型催化反应器。 5 。应躅电控技术，实现发动枫在各个工况下运霉亍均娥于最镁状态。 3 汽油毫琏豁内气流遮动对实现分滋臻薄燃烧的影晌 1 。3 。1 搋述 内燃枫的燃烧是一种带有剧烈放热化学反成的流动现象，实际燃烧过程是 个包含浚体滚动、接热传质巍化学反墩数及它们之阕楣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产生均与气缸内气流运动的情况紧 整裙关，毅梵凡卡年来，凌燃橇燃浇过撰疆变的秘当一部分力量集中于气艇内 气流运动方面。 了 第一章绪论 对于火稳点火式发动枫，湍流火焰传播速度是影响发动恚f 1 瞧照的重要参数， 提高燃烧速度会显著提麓燃瘫效率，降低循环变动和撩裁有害气体排放。漓流 燃烧速度又取决于可燃混合气的湍流强度，所以增加预混合气的湍流强度盥 是火花点火式发动极的一个重要的研究课题。在避气过程中，气流通过气门与 气门痤静环形通道霹会慧到鬻显酌赘切，破簿瑟城为校多环澎涡流”，增秘了 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，存胍 缩未期时湍流强度已大大衰减了，对予增加湍流火焰传播速度的作用已经十分 畜疆闼。困靛诲多汽涵凝设诗者嘲帮透过缝缀透度静透气溺滚窝揍濂糸疆 高压缩末期的湍流强度，促进燃烧过程的改善。对于四气门汽油机来说，燃烧 室是屋顶型的，两个进气门对称布置于屋顶的一坡，气缸内很容易形成滚流。 这一流动形式被谈灸莛维织嚣气门汽演援燃嶷过糕懿重要途径，楚疆气门茂漆 获得良好性能的关键技术。 汽油机采用稀的混合气工作，可以提高发动机热效率，降低油耗，减少排 敖。毽是警褥混台气过褥霹，将会导羧失犬，帮馒溪爱毫髭点火系统，蠢为在 微小点火体积内燃料太少，产生的热凝也小，不足以支持火焰溉常传播，导致 发动机性能恶化。分层混合气燃烧的主导思想是针对这个问题，采用某种方式， 使混合气农燃浇室空闽羧一定浓度梯度分蠢，保诞点火瞬阕，巍火花塞附近鸯 较浓的容赫旃火的混合气，而在其它地方混合气浓度较稀，这释使得缸内混合 气浓度整体较稀的情况下获得正常燃烧。 ，3 。2 巍秘分层燃烧系统及其冀缸内气流遮动麓关系 目前，国内外已提出多种分层充气燃烧方案，根据充量分布不同，可分为 均质充量燃烧系统和非均质充量燃烧系统。 均囊繇熬方寨毒英闺豹r o v e r 发动辊，菝爨滚滚在歪鳝终杰匏毒麓滚强瘦 柬提高火焰传播速度，对稀燃有一定的提高；还有采用紧凑型燃烧室，靠聪缩 挤流，可以提高燃烧速度，也提高了稀燃能力。憾均质稀燃的缺点是仅仅从提 裹炎焰德攒速疫蓑手，没鸯考虑喷涵郛气流运动夔酝合形成分艨来翔强点火， 因此提高稀燃极限的能力有限。 目前人们更关注予q 均质充量燃烧系统的研究，也就是所谓的分层燃烧系 统，豢冤瓣分层穗薄燃烧系统主要蠢以下死秘： 一、涡流分层燃烧系统 第一章绪论 在涡流分层燃烧系统中，使褥避气涡流运动与唼油定时巧妙结合，就可以 实现混合气的轴向分潦。如果配合的不好，就会遁褥箕反。 进气道内喷射发动机中，进气过程的早期只有空气进入气缸内，通过对进 气道的结构的组织，遴气时产生较强的涡流，当进气门的开启达到最大升程时， 将爨涵磺瓣进入遘气遴，当燃麓懿缳后帮分遗入发动瓤气丞辩，遂气门接近关 闭这时沿气缸轴向便能产生分层。如果涡流运动的周向分撩比轴向分檄强， 则压缩过棍就能维持这种轴向分层。在压缩过程中，燃料可能部分或完全熬发， 在透气簸蓑楚夔混合浓发要晓气熬蠹其余部分懿浓疫大。 缸内汽油直接喷射g d i 发动枫在压缩行程的后期将燃油喷射入活塞凹坑， 利用活塞凹坑几何形状和进气涡流运动抑制燃油过度扩散，使得燃烧室靠近火 蕊塞楚燃滚浓度较裹，蔟余逢方较舔。 堰肘蔫蛤曩曩拭歉点火 鼹卜一1 本田稀薄燃烧系统 圈1 - 2 丰田d - - 4 分层燃烧系统 r 本本田四气门敷动机( 图l 1 ) 采用可变涡流、可变气门正时、研变气 门最大升程技术，低德时关闭一个避气门，产生涡流，并通道挤流形成强涡流 ( 漏滚魄2 。5 ) ，嚣麓涡滚产生毒蠡巍分层。在亵受芬惑，嚣气门全开，不彩藏涡 流。在中低负荷时，燃气空燃比可达到2 2 。降低油耗1 2 ，并有效降低n o x ， 在高负简下，与传统发动机相比发幼机功率并不降低。 丰潮d - - 4 g d i 发动机( 图l 一2 ) 进气道由一个螺旋和一个煮气道缝成。在 中低速，中小负荷对，仅开一个螺旋气道，便谶气在缸内形成涡流运动，在歪 9 第章绪论 缩行程后期，将燃油喷入缸盎，可燃网平均空燃比为5 0 的混合气。在中低逡、 中高受萄辩，通过可变避气装置在敝内形成弱的滋气涡流，燃娆均蒺混合气， 达到节能净化的目的。在大负荷情况下，两个气邋同时进气，并加大喷油压力， 增进混合气均质混合。 二、滚滚分墨爨浇系统 滚流分层燃烧系统最8 0 年代后期提出的一种缸内混合气分层技术。滚流 ( t u m b l e ) ，有称为横轴涡流( b a r r e ls w i r l ) ，它是在气缸内形成的绕与气缸 辍线垂壹方蠢懿辘旋转瓣模辘大足菠涡滚，其涡滤尺度稷当予缎径。经遭穗心 组织的气体流动，平行于滚流轴向的速度分量很小，因此，在逃气冲程形成的 混合气分层，能够在压缩冲程的大部分时间里得到保持。在压缩后期滚流被上 牙弱活塞谈疆。在上正点醛透大只发漏滚旋压殍，破碎或诲多徽漏，产生较强 的湍流，提高混合气的燃烧速度。由于充气分层和滚流所形成的强烈的湍流， 发动机能够在很稀的混合气条件下，实现稳定燃烧。 与传统戆辘囱分鼷鞠魄，滚滚产童于普通懿纛遴气遂，因藏对全受祷工凝 不会产生不利影响，实现混合气分艨只是通过双谶气道发动机的固有特性，不 需要增加额外的设施，滚流分层非常稳定，即使谯有些轴向分层不易保持的燃 烧室里也缀容易实瑰。 图1 - - 3 三菱m w 滚流分层系统 r 本三菱公司研制的m v v 发动机( 图l 一3 ) 采眉典型的滚流分层技术， m v v 菱动祝采强两令逡气道产叟滚流，燃涵逶过獒中一令透气遂雩l 入气氛，另 笫一章绪论 一个气邋只漉入空气，从而产生分屡。火花塞饿鼹经过精心优化，布置在混台 气浓度较浓翡区域，黻葶l 于点火。该发动机的燃涵经济佳有簸著提高，撼藏氇 有一定程度的提高。 此外，研究人员还发现，如果在缸内组织旋转轴线与气缸轴线成定角度 静崧毒鑫涌流，帮漏流孝滚滚运动静笈合运动，发动辍韵牲能述会遗步援麓。 三、堠均质稀薄燃烧系统 毽楚传绫翡分鬟臻薄燃烧方裳毽存在善一黧不足。霆为混台气分罄鬟发越 高，就表明燃油与空气的混合就越不充分，一方面在燃烧期阚浓混台气隧得不 到充足的飘气而造成燃烧不完善出现碳烟和微敉，另一方面，分层度过赢会使 舔漫合气嚣浓度过稳，易塞褒灭蕊转搂孛薮，产生寒燃h c 。瞧藏是说，赞统分 层稀燃方案的排放浩净度并不高，节油也仍然脊潜力可挖。猩整个混合气范围 内进行整体型分层会造成混合气浓区和稀区差异过太，并不烧组织稀混合气燃 烧鳃最璞惩方案， 天津大学刘书亮教授突破传统的分层稀燃模式，提出了准均质稀薄燃烧模 式的新概念叭。即在气缸的大范围内形成均质稀混合气，只鲋火花塞周围的混 合气实施，j 、范圈的局部期浓。在遮秘情况下，由予局部的浓混合气仅占总喷油 量的- - + 部分，占主体静是均矮稀混合气，掰戳可称彳乍准稳艨混舍气。 刘书亮教授领导的课题组已经在丰田8 a 和t j 3 7 6 q e 汽油机上进行了通过 二次喷浦缀织准均质辩薄燃烧的实验，并取得了令人满意的效果，关于凇均质 混合气静形成过程及梅点将在第嚣：孽专门论述。 总而言之，实现分层稀薄燃烧技术的一个关键问题就是按照设计者的要求 合理的缀织发动机缸内气流运动和燃烧。因此对汽油机缸内气流运动规律及其 对攥浇_ 避程彰嫡静磺窕，对溘瀛耪滚流豹稳浚译徐方法，露漏滚羁滚滚弱形或、 发展和震变的运动规律的研究，对于进一步理解汽油机的燃烧过程，组织好缸 内流动，提高汽油机的性能都具有十分重要的意义。 1 4 内燃机缸内流动特性的研究方法 内燃机的发展融有一百多年的历史了，内燃机缸内的空气运动一直怒内燃 援燃袋擎臻突镶域鹣一令重要缝袋帮分。内燃援敬爽空气遮旗瓣磷变方法迄经 历了一个漫长的发展过程。旱在1 9 3 9 年，d 撑l e e 2 1 1 就在台倒拖发动机上拍 第一章绪论 下了白色鹅毛的运动轨迹，此后流场可视化技术一意被作为观察发动机缸内空 气运动的主要方法。到七十年代，研究缸内流场韵方法迅速发展，尤其是近年 来，髓羲科学测量技术手段的不断提高和更灏，在敏内流场方法上硕果累累， 目前常用的测嚣方法主要有以下几种： 4 宏臻测量方法 目前关于缸内涡流的直接测量方法主要衡两种，一种是叶片) l 遮仪法，另 种方法是涡流动量计法。 ( 1 ) 叶片j ) c l 速仪法 它用叶片短接测鬣涡流旋转的转速。这种方法缎早就用于稳流气道实验台 上对进气涡流进行测麓，它虽然不太准确，但在同试验台上可以比较不同进 气道f l 勺进气参数。叶片风速仪只能测鬣半径藏围以内的涡流转速平均值。 ( 2 ) 涡流动量计法 它是近十年以来广泛应用起来的一种测试仪器 2 2 1 。它利用进气涡流角动量 不变懿原理，运过气滚整流器，在稳滚实验套上测豢进气涡流的动蹩矩递鏊。 它们都无法测照气流的瞬时值，而只能用来测基宏观的涡流转速。 1 4 2 单点瞬时速度的测蓬方法 4 2 热线阪逮枝滚( h o t 瓣ir ea n e m o m e t e r ) 热线风速仪为接触性测试仪器，它将特定的电加热的金属丝放入被测流场 中，测量擎点瓣嚣速疫戆交纯历程。当气滚滚过金属丝爨媸走其表嚣热爨， 而引起温度下降，从而引起热丝电阻的改变。它分为等电流型和等温型两类， 宅翻簿挺热黧终为惠瓶遴电辑缒一甓，鞋等滋鳌热线风速仪为爨，葵逶道辨菝 的反馈回路保持热线_ i 作温度不变，也就是保持工作电阻不变。当气流使热线 电阻笈生变纯瓣，电耩豹不平鬻电毯羧爰镄簸太嚣放大爱送嚣耩端，耩翡彀匾 e 的变化将引起流过热丝的电流变化以弥补气流变化引起的热量损失，从而动 态遗维持热线工作宅黼不变。 根据热线传热学耀论，对于等激热线，当待测气体温度等于常数时，热线 的桥端电压e 与垂直予热线方向上静气漉速菠分量u 有如下关系： 石2 = “+ b i 1 2 第一章绪论 式中：a 、b 是两个与气体物理性质有关的标定常数。 气体性质一定时，可以用标定的方法得出气体速度和桥端电压之间的关系， 即热线的标定曲线。根据这条标定曲线，就可以用热线风速仪来测量气流速度。 热线风速仪用于流速的测量已有几十年的历史，是内燃机缸内流场测量的 重要手段，为内燃机的发展起了积极的作用。经过不断的改进，其稳定性、灵 敏度和精确度都有了显著的提高。但一般的单丝热线只能测出垂直于热线丝方 向的气流速度分量，并且不能辨别其方向【2 3 1 。 与l d a 相比，其优点主要有： ( 1 ) 信号连续。 ( 2 ) 设备简单，使用方便，价格便宜。 ( 3 ) 探头及定位系统小巧，移动迅速，采样点布置灵活。 ( 4 ) 信噪比高，灵敏度高，频响快。1 0 m 直径的等温热线的频响可达 l o o k h z 【2 4 1 ，这对缸内的气流测量是足够的。 ( 5 ) 热线探针可以做得很小，空间分辨率较高。 其主要缺点是： ( 1 ) 由于探针进入流场，故对流场有干扰。空间分辨率不如l d a 。 ( 2 ) 信号受气体物理参数影响( 温度、压力) ，使用前后均需标定，计算时还 要进行修正。 ( 3 ) 不能辨认方向，若想辨认方向，需要使用挡风屏。 ( 4 ) 热线一般使用直径为5 i n 的金属丝，脆弱、易断，且不能用于燃烧过程 的测量。 1 4 2 2 激光多普勒测速仪l d a ( l a s e rd o p p i e ra n e m o m e t e r s ) 激光多普勒测速仪是近年来发展起来的激光应用分支，是依据激光多普勒 效应而开发出来的种非接触性流场测量仪器。 当一束光具有单一频率的激光照射到一个运动的粒子上时，粒子接受到的 光波频率与光源频率会有差异，其差异的大小同粒子的运动速度的大小以及照 射光与速度之间的夹角有关。通过检测光波的多普勒频移，即可求得粒子运动速 度，进而得到流场中特定的速度时间变化历程。 l d a 的主要优点是： 第一章绪论 ( 1 ) 耩于非接触武测量，对气流没裔干扰。 ( 2 ) 可以鉴别流渤方向。 ( 3 ) 蠢接灞燮滚凌速度，气体潺发、匿力对溅鳖结鬃没有影雅。 4 ) 典有良好熬空潮分辨率，熊型熬l d a 系统空剃分辨率为2 0 - 1 0f1 1 1 。 ( 5 ) 测量位鼹刁；受活塞运动位鬣的限制，w 以测量燃烧j 遘程中的气流。 l d a 篷末要皱点爱： ( 1 ) 信号不滤续，是一系列阶跃信号。阶跃信号出现频率与测量点粮子浓度有关， l d a 辕懑斡窍效数据姆邀粒子浓度交耩缀快藏少，秘导致l d a 数据率急剩下 辫。 2 ) 必矮在熬头上设骞巍薅出入爝戆透明辩蹬，安撵超泉鞍嚣难。并曼这黧透羲 要经常保持洁净。 ( 信爨馥惫。测量纛辫远袭麟懿爱_ 蹇毒可耱会荨 莛礤声，澎蹬售号瓣整。 ( 4 ) 气流中粒予的大小及数麓必须邋当，遮在发动机中靛制起来比较难。 ( ) 价格昂爨。 盘予l d a 辩渡场没有予羧，且不需要避 亍滠囊葶珏懋力的校正，联班囊致y e h 帮c u m m i n s 2 5 1 在1 9 6 4 年第次爝激光流速计淤褥藤瀛瓣速度分布戳米，茏箕奁 八十年代，l d a 测试技术褥刘迅猛的发展，至目前已缀潼本取代了h w a 成为测 鼙蠹燃惑积内肇患鼹对速发觞主要涮试手段f 凇。毽l d a 数撵率低鬻嚣获褥鳃速 陵序掰是不等时间间隔豁稀躐信譬，这缭l d a 的数摇籁壤带来缀丈豹困飕。班 时必能用集总平均法( 即栩位平均) 处理l d a 数据，谯种处理方法把宏观流动 懿矮繇变动逛巍住端滚，过礴的髅诗了淤漉强度，甄照出于l d a 数掇率抵，不 黯对滚流黎稳遂行深入静分耩( 舔求垂藕关系数、凌率谱密度函数等) ，掰强缀 多磅宠蠹搬摄豢l d a 数据攀穆为童要强据蠹珏以硪究f ” p s 1 2 9 。在散射粒子魏选择 上，粒子的加入方式上，光路系统的改进鄹调整以及僚蟹处理的方法上掷进行 过大量黧磷窕，摄大懿瑟离tl d a 翡鼗摇攀，j + f ；l ec o z 器g 薮褥了乎缘每凌魏 轴转角两个数描的高数据率，m l o r e n z 2 7 j 在压缩上止点附近竟然获得了4 0 k h z 隧上翡毫数据攀。随l d a 测试技零熬囊麓，l d a 数据楚疆方法爨数褥了蓬要避 瓣，已经憝够溺疆强努橇法转l 粒2 1 1 2 7 1 2 9 1 努鬻整循嚣受韵分鏊窝奏歪鹣演浚努量； 谶蕊求密滴流黪螽裙关蛙聚数，辩润足黢簿滚滚参数3 勰1 3 弼强承，然嚣l d a 秘矮 予单点测攫，仍不能直接反腆出锨内流场的长度积分尺度，而该参数对于深入 理瓣渍滚滚臻特援卡势盛簧，邈鼗邃京一黪磺交喾尝试傻蘑嚣点法 3 7 l 鳓i 粥、扫 第一章绪论 描法 4 0 4 1 慷接测算出淤流的长度积分尺度。l d a 技术的另一爨要进展就楚对燃 浇过程中瓣流动进雩亍溅麓，美国s a n d i a 国家实验室p 2 l 秘3 靼i 、p r i n c e t o n 大学拜5 l 和日本g u m m a 大学1 4 6 l 【4 7 1 等少数研究单位尝试了这项研究。 1 4 2 3 掇位多普勒靛予分橱佼p d p a ( p h a s eo o p p i e rp a r t i c l ea n a l y z e r ) 圈1 - 4p d p a 测量装置示意网 隧蛰激笼菝零、诤葵橇鼓本稻数字痿号楚邂等接零豹发疑，在激毙多饕勃 测速仪已经同趋成熟的基础上，更为先进的相位多普勒粒子分析仪p d p a 如现了 1 2 1 ，它可以用来进行喷雾场或其他流场的速度、湍流度、球形透明不透明粒子 粒径、骥雾粒子逶量警骞关参数懿测盈。 以t s i 公司的p d p a 系统为例( 图1 - 4 ) ，欺黧的p d p a 测燕系统主甏镪括： 激光器，发射与接收光学系统，发射光纤探头，接收光纤探头，处理器，位移 枫构，鲶理软终。其中，激光嚣一般采用氩离孑激光器( a r g o n ：i o n ) ，发瓣与接 收系统包括一台分光器和光电倍增镑缀合模块。 p d p a 测量系统的旗本工作原理如图1 5 所涿。 第一章绪论 匿i - 5p d p a 测量系统工作原理 氯离子激光器发出激光嚣，被分光器( f i b e r l i g h t ) 分离成一对平行光光 束( 维系统楚绿色光) ，其中的束绿竞渡船入4 0 m h z 频移量，然嚣将各束竞 祸合进入保偏光纾。这对激光柬沿不同的角度进入粒子，两条光束被粒子折射 后，经过不同的光踌汇聚予空阙中的某一点，这就造成了两束光的楣位发生移 动，粒子豹敬羹圣毙被其有三掇涮器结筠熬攘浚光绎探头掰臻获，经避党毫倍瓒 管谶行分光、固定倍数增益放大、高通滤波等处理后形成同频率不同相位的多 普勒信号，这些多普勒信号只禽有一个研究者所感兴趣的频率，利用这一特点， 采稿f t b d 技术( 蒋立时交羧艨泞探测菽拳) ，可馥搽溺爨需要豹多蘸鞠信号， 而抑制呈广谱性的很强的背景噪声。探测剁的信号经a d 转换，多酱勒脉冲波 群处理以后经出一个专用的p c i 总线接口被