基于CFD仿真分析开发缸内直喷汽油机燃烧系统的研究

摘要

GDI发动机与传统PFI发动机相比，具有更好的动力性、燃油经济性以及排放性能，因此缸内直喷技术得到了研究人员的青睐。使用CFD指导设计具有高效低成本的优势，本文以某企业某款1.6L气道喷射式发动机为基础，使用数值模拟方法开发出一套全新的GDI燃烧系统。然后以此为载体进行了喷油压力对发动机混合气形成以及燃烧性能影响的研究，并对数值模拟中需使用的燃油喷雾模型和燃烧模型进行了仿真与实验的标定。最后以6000r/min@WOT为计算工况，验证了燃烧系统的流动、喷雾以及燃烧性能。研究的主要内容如下:
　　本文为燃烧系统设计了三种进气道形状，通过气道稳流试验和CFD仿真得到了三种进气道的流量系数与滚流比，其中气道三滚流水平比同类机型高;在燃油喷射系统的设计中，引入了喷油器、高压油轨、高压油泵及油管，并通过CAE设计了三种喷油器方案;在燃烧室形状的设计中，发动机燃烧室结构对缸内燃烧有非常大的影响，因此本文利用CFD能够快速建模的优势，设计出五种活塞凹坑形状，并分别进行了缸内流动、喷雾以及燃烧的仿真计算;在气门与气门座形状的设计中，通过对比进气量以及滚流比等仿真结果，为GDI燃烧系统的气门与气门座形状选择最优方案。
　　本文以2500r/min@10bar为计算工况，选择了两组喷油压力(12.5Mpa/10Mpa)进行研究。计算表明，提高喷油压力可以加快混合气混合速度，缩短燃烧持续期，降低碳烟排放，提升发动机的燃烧和排放特性。
　　本文设计的燃烧系统在全速全负荷工况下的性能验证表明，发动机缸内滚流比、湍动能、机油稀释风险以及点火时刻火花塞附近当量比分布等均满足要求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 问题的提出及研究意义

1．2 GDI发动机研究现状

1．2．1 GDI发动机技术优势

1．2．2 GDI技术研究现状

1．3 GDI发动机燃烧系统数值模拟研究现状

1．3．1 活塞凹坑形状对GDI发动机燃烧影响数值模拟研究现状

1．3．2 喷油策略对GDI发动机燃烧影响数值模拟研究现状

1．4 本文研究内容

2 数值理论

2．1 数值模拟基础

2．2 流体力学控制方程组

2．2．1 流动模型

2．2．2 物质导数

2．2．3 质量守恒方程

2．2．4 动量方程

2．2．5 能量方程

2．3 缸内气体流动类型

2．3．1 缸内涡流运动

2．3．2 缸内滚流运动

2．3．3 缸内湍流运动

2．4 本章小节

3 缸内直喷汽油机燃烧系统的设计及研究

3．1 直喷发动机燃烧系统的设计目标

3．2 高滚流气道开发

3．3 燃油喷射系统设计

3．4 燃烧室形状设计

3．4．1 不同活塞方案缸内流场分析

3．4．2 不同活塞方案缸内喷雾场分析

3．4．3 不同活塞方案缸内燃烧分析

3．4．4 燃烧室形状选型

3．4 气门与气门座设计

3．5 本章小节

4 喷油压力对缸内直喷汽油机性能影响的研究

4．1 燃油喷雾模型的研究

4．1．1 喷雾场结构与油气两相模型

4．1．2 喷雾的热力学和动力学过程

4．1．3 雾化模型

4．2 喷雾模型的标定

4．2．1 喷雾标定特征参数

4．2．2 喷雾标定

4．2．3 喷雾破碎模型参数的敏感度分析

4．2．4 各工况喷雾标定结果

4．3 喷油压力对GDI发动机影响的研究

4．3．1 喷油压力对缸内流场影响分析

4．3．2 喷油压力对缸内混合气雾化的影响分析

4．4 本章小结

5 GDI发动机缸内燃烧数值模拟方法研究

5．1 数值模拟方法

5．1．1 模型准备

5．1．2 网格生成方法

5．1．3 计算模型设置

5．2 GDI发动机缸内流场分析

5．2．1 进气流动分析

5．2．2 湍流水平分析

5．3 GDI发动机缸内喷雾分析

5．3．1 燃油喷雾分析

5．3．2 缸内液滴油膜分析

5．4 GDI发动机缸内燃烧分析

5．4．1 混合气当量比分析

5．4．2 燃烧温度与压力分析

5．4．3 缸内气体质量与已燃质量百分比分析

5．4．4 燃烧火焰面发展分析

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 本文展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果