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  本文關(guān)鍵詞：空氣輔助直噴汽油機(jī)噴霧特性及缸內(nèi)混合氣形成的研究

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【摘要】：在汽油機(jī)紛紛采用缸內(nèi)直噴技術(shù)來(lái)提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能的發(fā)展趨勢(shì)下,空氣輔助直噴噴嘴因具有在較低噴射壓力下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量霧化效果的特點(diǎn)而受到越來(lái)越多的重視。此類噴油器噴出的是燃油與空氣的混合物,所以其噴霧特性有別于常見的高壓直噴噴嘴,而國(guó)內(nèi)外對(duì)此類噴嘴應(yīng)用于直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的研究相對(duì)較少,為此本文采用高速攝影法與激光衍射法對(duì)空氣輔助直噴噴嘴噴霧的宏觀特性和微觀特性進(jìn)行了光學(xué)測(cè)試,并建立了缸內(nèi)直噴(GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣形成的仿真計(jì)算模型,開展了噴油參數(shù)和缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)噴霧特性及混合氣形成影響規(guī)律的研究。光學(xué)試驗(yàn)研究中設(shè)計(jì)并搭建了定容彈及缸筒全透明式光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)兩種試驗(yàn)平臺(tái),定容彈試驗(yàn)平臺(tái)可方便地模擬出燃油噴射時(shí)刻缸內(nèi)的溫度與壓力,而光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)能更好地反映出缸內(nèi)復(fù)雜的氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)噴霧特性及混合氣形成過(guò)程的影響,彌補(bǔ)了定容彈在噴霧特性研究中的不足,兩種試驗(yàn)平臺(tái)相結(jié)合能更全面、更準(zhǔn)確地反映出各種參數(shù)對(duì)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)噴霧特性的影響。根據(jù)空氣輔助噴射的特點(diǎn)定義了噴霧燃空比(γ),而為反映出缸內(nèi)氣流流場(chǎng)對(duì)噴霧特性的影響,本文中首次引入了噴霧左半錐角(α)、噴霧右半錐角(β)及噴霧錐角偏移度(Φ)的新概念,與常用的貫穿距離(L)和噴霧錐角(θ)等參數(shù)相結(jié)合能更好地表征出燃油的噴霧特性。在此基礎(chǔ)上研究了不同噴霧燃空比、噴射壓力、環(huán)境壓力、噴射開始時(shí)刻、活塞頂形狀及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)對(duì)空氣輔助直噴噴嘴噴霧特性的影響。此外,還利用激光粒度儀對(duì)該噴嘴的噴霧粒徑(SMD)進(jìn)行了測(cè)量并分析研究了其變化規(guī)律。模擬仿真研究中首先利用CFD軟件(AVL-FIRE)建立了GDI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣形成的仿真計(jì)算模型,并通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該模型中的進(jìn)氣道模型和噴霧模型進(jìn)行了驗(yàn)證,以保證利用該模型開展的仿真研究具有一定的可信性和正確性。而后通過(guò)仿真計(jì)算分析研究了不同噴霧粒徑、燃油噴射開始時(shí)刻及活塞頂形狀等參數(shù)對(duì)缸內(nèi)混合氣形成過(guò)程及濃度分布的影響規(guī)律。對(duì)于噴霧微觀特性的研究結(jié)果表明,空氣輔助直噴噴嘴的噴霧粒徑(SMD)正比于噴霧燃空比(γ),特別是當(dāng)噴霧燃空比γ小于0.8時(shí),噴霧的SMD會(huì)有明顯降低。當(dāng)燃油噴射與混合氣噴射之間的時(shí)間間隔增大時(shí),SMD會(huì)隨之減小并趨于穩(wěn)定。而提高噴射壓力同樣可改善空氣輔助直噴噴嘴的霧化效果。對(duì)于噴霧宏觀特性的研究結(jié)果表明,在定容彈內(nèi),降低γ值(增大空氣噴射量或減少燃油噴射量)會(huì)使噴霧錐角有降低的趨勢(shì),但對(duì)貫穿距離的影響并不顯著。在相同的試驗(yàn)工況下,相比于噴射汽油而言,航空煤油噴霧的貫穿距離相對(duì)更長(zhǎng),且噴霧錐角相對(duì)更小;提高噴油壓力會(huì)使兩種燃料噴霧的貫穿距離和噴霧錐角均增大;增大環(huán)境壓力時(shí),兩種燃料噴霧的貫穿距離均會(huì)隨之降低,而噴射煤油時(shí)的噴霧錐角會(huì)隨之減小,但噴射汽油時(shí)噴霧錐角幾乎不變。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣形成過(guò)程的研究結(jié)果表明,由于光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)氣氣流的影響,空氣噴射量的增加會(huì)使光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的噴霧錐角增大,貫穿距離變小,這與定容彈內(nèi)的測(cè)試結(jié)果有所不同。此外,兩種試驗(yàn)條件下噴霧錐角隨時(shí)間的變化趨勢(shì)也有明顯差異。而進(jìn)氣氣流對(duì)噴霧場(chǎng)整體有明顯的吹偏作用。隨著燃油噴射時(shí)刻推遲,進(jìn)氣氣流對(duì)噴霧場(chǎng)的吹偏作用逐漸減弱,噴霧錐角偏移度隨之減小,而噴霧的貫穿距離不斷增大;進(jìn)氣氣流的流速隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降而降低,其對(duì)噴霧場(chǎng)的影響也隨之減弱,噴霧錐角、噴霧半錐角及噴霧錐角偏移度均隨之減小,但噴霧貫穿距離的變化并不顯著。而不同的活塞頂形狀也會(huì)因影響了缸內(nèi)氣流流場(chǎng)而使噴霧特性發(fā)生改變。同時(shí),燃油噴射時(shí)刻、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及活塞頂形狀等參數(shù)也均因影響了噴霧在氣缸內(nèi)的空間分布以及與活塞碰撞的位置,而使燃油的蒸發(fā)以及缸內(nèi)混合氣濃度分布的規(guī)律發(fā)生改變。
【關(guān)鍵詞】：空氣輔助噴射 光學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī) 噴霧特性 混合氣形成 缸內(nèi)直噴
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK411
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-16
• 字母注釋表16-17
• 第一章 緒論17-33
• 1.1 引言17-18
• 1.2 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的發(fā)展與特點(diǎn)18-27
• 1.2.1 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的發(fā)展歷程18-19
• 1.2.2 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的優(yōu)勢(shì)19-21
• 1.2.3 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的不足和挑戰(zhàn)21-22
• 1.2.4 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的燃燒系統(tǒng)22-23
• 1.2.5 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的燃油噴射系統(tǒng)23-27
• 1.3 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)噴霧特性及混合氣形成的研究現(xiàn)狀27-31
• 1.3.1 噴霧特性及混合氣形成的試驗(yàn)研究現(xiàn)狀27-30
• 1.3.2 噴霧特性及混合氣形成的仿真研究現(xiàn)狀30-31
• 1.4 本課題研究的意義及主要內(nèi)容31-33
• 第二章 光學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)的研發(fā)及試驗(yàn)方法介紹33-50
• 2.1 光學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)的研發(fā)33-45
• 2.1.1 定容彈試驗(yàn)平臺(tái)的研發(fā)33-37
• 2.1.2 缸筒全透明式光學(xué)GDI發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)的研發(fā)37-41
• 2.1.3 低壓空氣輔助直噴系統(tǒng)41-45
• 2.2 試驗(yàn)方法介紹45-49
• 2.2.1 噴霧特性的試驗(yàn)研究方法45-48
• 2.2.2 噴霧粒徑分布的試驗(yàn)研究方法48-49
• 2.3 本章小結(jié)49-50
• 第三章 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣形成仿真計(jì)算模型的建立50-65
• 3.1 數(shù)值模擬技術(shù)的理論基礎(chǔ)50-57
• 3.1.1 基本控制方程50-52
• 3.1.2 仿真計(jì)算模型52-56
• 3.1.3 數(shù)值計(jì)算方法56-57
• 3.2 進(jìn)氣道穩(wěn)流仿真計(jì)算模型的建立57-60
• 3.2.1 進(jìn)氣道幾何模型的建立58
• 3.2.2 進(jìn)氣道穩(wěn)流計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分58-59
• 3.2.3 進(jìn)氣道穩(wěn)流仿真中計(jì)算求解器的設(shè)置59-60
• 3.3 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)仿真計(jì)算模型的建立60-64
• 3.3.1 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)幾何模型的建立60-61
• 3.3.2 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)仿真計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分61-63
• 3.3.3 初始條件和邊界條件的確定63-64
• 3.4 本章小結(jié)64-65
• 第四章 空氣輔助直噴汽油機(jī)噴霧霧化粒徑及噴霧特性的試驗(yàn)研究65-109
• 4.1 空氣輔助直噴噴嘴流量特性的測(cè)定65-66
• 4.2 空氣輔助直噴噴嘴霧化粒徑的試驗(yàn)研究66-71
• 4.2.1 噴霧燃空比對(duì)霧化粒徑的影響67-69
• 4.2.2 噴射間隔對(duì)霧化粒徑的影響69-70
• 4.2.3 噴射壓力對(duì)霧化粒徑的影響70-71
• 4.3 空氣輔助直噴噴嘴在定容彈內(nèi)的噴霧特性試驗(yàn)研究71-86
• 4.3.1 定容彈內(nèi)噴霧特性的參數(shù)定義71-72
• 4.3.2 噴霧燃空比對(duì)噴霧特性的影響72-74
• 4.3.3 噴射壓力對(duì)噴霧特性的影響74-76
• 4.3.4 環(huán)境壓力對(duì)噴霧特性的影響76-78
• 4.3.5 不同燃料的噴霧特性對(duì)比78-86
• 4.4 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)噴霧特性的試驗(yàn)研究86-106
• 4.4.1 缸內(nèi)噴霧特性的幾個(gè)重要參數(shù)定義86-87
• 4.4.2 氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)缸內(nèi)噴霧特性的影響87-91
• 4.4.3 噴射時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)噴霧特性的影響91-95
• 4.4.4 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)缸內(nèi)噴霧特性的影響95-98
• 4.4.5 活塞頂形狀對(duì)缸內(nèi)噴霧特性的影響98-102
• 4.4.6 噴霧燃空比對(duì)缸內(nèi)噴霧特性的影響102-106
• 4.5 本章小結(jié)106-109
• 第五章 GDI發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣形成的模擬仿真研究109-124
• 5.1 仿真計(jì)算模型的驗(yàn)證109-112
• 5.1.1 進(jìn)氣道模型的驗(yàn)證109-111
• 5.1.2 噴霧模型的驗(yàn)證111-112
• 5.2 噴霧粒徑對(duì)缸內(nèi)混合氣形成的影響112-116
• 5.3 噴射時(shí)刻對(duì)缸內(nèi)混合氣形成的影響116-119
• 5.4 活塞頂形狀對(duì)缸內(nèi)混合氣形成的影響119-122
• 5.5 本章小結(jié)122-124
• 第六章 總結(jié)與展望124-128
• 6.1 全文總結(jié)124-126
• 6.2 工作展望126-128
• 參考文獻(xiàn)128-137
• 發(fā)表論文和參加科研情況說(shuō)明137-138
• 致謝138-139

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