摩托车汽油机进气到附壁油膜研究

摘要

为实现节能减排，摩托车汽油机采用电控燃油喷射技术已成为必然趋势，又因摩托车发动机具有对电控系统成本比较敏感的特点，故选择进气道喷射方式比较合理。虽然车用发动机进气道喷射技术应用已经比较成熟，但是考虑到摩托车发动机自身的特点，很难直接移植车用发动机技术。采用进气道喷射时，对燃油雾化要求不高，燃油喷射压力较低，几乎全部的燃油都会到达进气阀背面或者进气道壁面形成附壁油膜，摩托车汽油机受发动机结构紧凑的限制，在进气道内的附壁油膜分布面积较小、厚度较大，转速高使得附壁油膜挥发时间较短。因此，如何提高燃油的挥发速率、降低进入气缸的附壁油膜量，对摩托车汽油机喷油控制策略的制定、发动机整体性能的提高，都有着重要的理论意义和实用价值。
　　 为此，针对进气道喷射式摩托车汽油机，采用台架试验和数值计算的方法对进气道附壁油膜现象进行了研究。主要工作如下：
　　 1.进气道附壁油膜进入气缸方式的研究。对进气道喷射式发动机进行研究的首要问题是确定是否存在附壁油膜及附壁油膜以何种方式进入气缸。通过比较分析测控系统在M/P模式下测量发动机瞬时转速变化、在N/P模式下测量缸内峰值压力及在N/P模式下测量空燃比值等几种不同方法，指出在N/P模式下测量空燃比值法能够较好的检测有无附壁油膜堆积现象，并利用该方法确定所研究发动机不存在附壁油膜堆积现象。通过对影响燃油挥发速率主要因素的分析，提出利用改变发动机机体温度的方法来验证附壁油膜循环剥落现象的存在，台架试验结果表明，当固定发动机转速、节气门开度及循环喷油量时，随机体温度升高，空燃比值迅速减小、HC减小而NOx升高。分析认为，在循环供油量保持不变的情况下，机体温度升高出现混合气变浓的现象，表明在机体温度升高前存在未参与燃烧的燃油，即有液态形式燃油进入气缸，由于采用闭阀喷射不存在喷射燃油直接进入气缸的现象，且不存在油膜堆积，因此发动机存在每循环都有附壁油膜以液态形式进入气缸的现象。同样，当发动机采用闭阀喷射时，如果将喷油时刻推迟，则会使附壁油膜挥发时间变短，造成空燃比升高、HC排放增加而NOx排放减少，此方法也可用作判别是否存在附壁油膜以液态形式进入气缸的现象。
　　 2.数值计算模型的建立与验证。由以上分析可知，所研究发动机存在每循环都有附壁油膜以液态形式进入的现象，而减少以液态形式进入气缸附壁油膜量的方法是加速燃油挥发。为对影响燃油挥发速率的因素进行更详细的分析，采用数值计算的方法进行了研究。采用数值计算分析的前提是计算网格的建立，为此首先依据网格划分的一般原则，建立了计算所需的网格模型，根据计算需要，通过对模型基本机理的分析，分别选择了雾化、蒸发及附壁油膜子模型；然后采用可视化实验的方法对喷雾、碰壁、蒸发模型进行验证，通过纹影法、激光散射法与数值计算结果的对比表明，模型预测的喷雾及碰壁过程与实验结果比较吻合，对所研究问题有较好的适应性，同时模型所反映的喷雾随进气流动的变化规律与实验结果也比较吻合，表明所选用的模型可用于后续工作研究中。
　　 3.闭阀喷射时燃油挥发速率与其影响因素关系的研究。为提高燃油挥发速率，采用数值计算的方法对闭阀喷射方式下，不同机体温度时燃油落点、喷射距离、喷油时刻及进气回流等因素对燃油挥发速率的影响进行了研究，得到以下结论：
　　 1)燃油挥发速率主要受机体温度和进气气流的影响，当进气道温度较低时，靠吸热挥发的速率较慢，进气气流对附壁油膜挥发的促进作用比较明显；当机体温度较低，燃油落点为进气阀背面上部与进气道交界处时附壁油膜挥发效果最好；喷射距离较长时，由于部分附壁油膜分布到温度较低的进气道壁上反而不利于附壁油膜的挥发；进气回流及喷油时刻提前都有助于附壁油膜的挥发。
　　 2)当机体温度较低时，通过对燃油落点、喷射距离及喷油时刻等因素的调整可以提高燃油挥发速率，但是改善效果不明显，仍然有较大量附壁油膜以液态形式进入气缸。
　　 3)当机体温度升高后，挥发速率明显提高，进入气缸的液态附壁油膜量大幅减少；此时燃油落点处于进气阀背面高温区域时附壁油膜挥发仍然有优势；进气回流依然能够加速附壁油膜挥发；喷射距离较长时，由于附壁油膜分布区域扩大有助于附壁油膜挥发；喷油时刻对附壁油膜挥发的影响变弱。
　　 4.开阀喷射时燃油挥发速率与其影响因素关系的研究。为研究开阀喷射模式下提高燃油挥发速率的方法，采用数值计算的方法研究了燃油落点、喷射距离、喷油时刻及进气回流等参数对进气道喷射式摩托车汽油机燃油挥发速率的影响，研究结果表明：
　　 1)开阀喷射时，附壁油膜落点处于高速气流区有助于提高燃油的挥发速率。综合考虑燃油空间挥发量与附壁油膜挥发量，喷射距离过远不利于燃油挥发；进气回流对燃油挥发速率能够起到促进作用；喷油时刻为进气阀刚开启时燃油挥发速率最大。
　　 2)当节气门开度变大时，进气流速的升高使得燃油总体挥发速率提高；燃油落点、喷射距离、进气回流及喷油时刻对燃油挥发速率的影响规律与小节气门开度时一致。
　　 3)开阀喷射时，较高的机体温度能够大幅提高燃油挥发速率；机体温度对燃油挥发速率的影响大于进气气流的影响。
　　 4)与闭阀喷射相同，当机体温度较低时，通过对燃油落点、喷射距离及喷油时刻等因素的调整可以提高燃油挥发速率，但是改善效果不明显，仍然有较大量附壁油膜以液态形式进入气缸。
　　 5.两次燃油喷射方式对燃油挥发速率的影响。根据单次喷射的分析可知闭阀喷射和开阀喷射有各自的特点，为充分发挥两者的优势，将两次燃油喷射技术进行拓展，用以改善进气道喷射式摩托车汽油机燃油挥发速率。研究结果表明，将所需燃油分作两次喷射时，闭阀时所喷射燃油形成的附壁油膜厚度减小，同时延长了附壁油膜挥发时间，开阀时所喷射的燃油增加燃油与空气的相互作用，从而增加附壁油膜分布面积，并且可以将一部分燃油直接带人气缸，从而提高燃油挥发速率。在怠速暖机工况下，通过膨胀冲程和进气冲程不同喷油比例的对比可知，当膨胀冲程和进气冲程喷射燃油比例保持1:1时燃油挥发速率最大；对于高速大负荷工况，通过燃油喷射比例的调整可知，膨胀冲程占较大比例时更有利于减少附壁油膜的现象。分别在怠速工况和高速大负荷工况下，通过对单次喷油与两次喷油的对比可知：怠速工况时，相对于单次喷射，两次燃油喷射对燃油挥发速率的提高比较明显；高速大负荷工况时，由于此时机体温度高、进气流速大，使得两次喷油的优势变的不明显。
　　 6.两次燃油喷射方式的试验研究。计算分析表明当机体温度较低时，采用两次燃油喷射方式能够有效减少以液态形式进入气缸的附壁油膜量。为此利用台架实验对两次燃油喷射进行了研究。结果表明，发动机处于小节气门开度时，推迟膨胀冲程喷油及进气冲程时刻，都会造成混合气变稀、发动机功率下降、HC排放升高的现象，膨胀冲程所喷射燃油所占喷油总量的比例较大时，有利于改善发动机性能，与单次喷射相比，采用两次燃油喷射技术能够明显增加混合气浓度，改善发动机性能，这与计算分析结果一致。当发动机处于高速大节气门开度时，由于发动机机体温度较高，进气流动较强，喷油时刻对混合气浓度的影响不明显，与单次喷射相比，采用两次燃油喷射技术无明显优势，这与计算分析结果一致。与单次闭阀喷射相比，如果调整单次喷油时刻使喷射燃油能够经历开阀喷射和闭阀喷射两种模式，对发动机性能也起到一定的改善作用；当发动机机体温度升高时，两次燃油喷射与单次闭阀喷射方式相比，发动机性能改善不明显；如果喷嘴的喷雾锥角过大，燃油喷射会在很短的时间到达进气道壁形成附壁油膜，两次喷油方式与采用单次闭阀喷射模式也没有区别。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

符号说明

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 喷雾对附壁油膜的影响

1.3 附壁油膜运动规律

1.4 影响燃油挥发速率因素的研究

1.4.1 机体温度对燃油挥发速率的影响

1.4.2 发动机转速对燃油挥发速率的影响

1.4.3 进气回流对燃油挥发速率的影响

1.4.4 喷油时刻对燃油挥发速率的影响

1.5 进气道附壁油膜的数值模拟研究

1.6 课题的主要研究内容

第二章 进气道附壁油膜进入气缸方式的研究

2.1 附壁油膜堆积现象的检测

2.1.1 试验设备及燃油喷射控制

2.1.2 试验方案确定

2.1.3 附壁油膜堆积现象的检测

2.2 附壁油膜循环剥落现象的检测

2.2.1 发动机参考温度点的选取

2.2.2 附壁油膜循环剥落方法的验证

2.2.3 不同工况下附壁油膜循环剥落的检测

2.3 本章小结

第三章 计算模型的建立与验证

3.1 计算模型的建立

3.1.1 计算网格的建立

3.1.2 气门关闭过程的处理

3.1.3 计算模型的选择

3.2 喷雾模型的验证

3.2.1 试验装置及原理

3.2.2 CCD相机拍照时刻的设置

3.2.3 计算结果与实验结果的比较

3.3 进气流速影响喷雾偏转的验证

3.3.1 试验装置

3.3.2 图像处理

3.3.3 测试结果分析

3.3.4 数值计算与试验结果对比分析

3.4 本章小结

第四章 闭阀喷射时燃油挥发速率与其影响因素关系的研究

4.1 计算工况点的选择

4.2 计算网格

4.3 较低机体温度时的计算分析

4.3.1 燃油落点对燃油挥发速率的影响

4.3.2 喷射距离对燃油挥发速率的影响

4.3.3 进气回流对燃油挥发速率的影响

4.3.4 喷油时刻对燃油挥发速率的影响

4.3.5 进气温度对燃油挥发速率的影响

4.4 较高机体温度时计算分析

4.4.1 燃油落点对燃油挥发速率的影响

4.4.2 喷油时刻对燃油挥发速率的影响

4.4.3 进气回流对燃油挥发速率的影响

4.4.4 喷射距离对燃油挥发速率的影响

4.5 本章小结

第五章 开阀喷射时燃油挥发速率与其影响因素关系的研究

5.1 数值计算初始条件和边界条件的设置

5.2 小节气门开度时的分析

5.2.1 燃油落点对燃油挥发速率的影响

5.2.2 喷射距离对燃油挥发速率的影响

5.2.3 进气回流对燃油挥发速率的影响

5.2.4 喷油时刻对燃油挥发速率的影响

5.3 大节气门开度时的计算分析

5.3.1 燃油落点对燃油挥发速率的影响

5.3.2 喷射距离对燃油挥发速率的影响

5.3.3 进气回流对燃油挥发速率的影响

5.3.4 喷油时刻对燃油挥发速率的影响

5.4 机体温度对燃油挥发速率的影响

5.5 本章小结

第六章 两次燃油喷射对燃油挥发速率影响的计算分析

6.1 怠速暖机工况下两次喷油与单次喷油的比较

6.1.1 数值计算初始条件和边界条件的设置

6.1.2 喷雾过程的比较

6.1.3 燃油空间挥发量的比较

6.1.4 附壁油膜挥发性能的比较

6.1.5 缸内混合气均匀性比较

6.1.6 喷油比例对燃油挥发速率的影响

6.2 高速大负荷工况下两次喷油与单次喷油的比较

6.2.1 初始条件和边界条件的设置

6.2.2 燃油空间挥发量的比较

6.2.3 附壁油膜挥发性能的比较

6.2.4 喷油比例对燃油挥发速率的影响

6.3 本章小结

第七章 两次燃油喷射方式的试验研究

7.1 膨胀冲程喷油时刻对发动机性能的影响

7.2 进气冲程喷油时刻对发动机性能的影响

7.3 喷油比例对发动机性能的影响

7.4 两次喷油对发动机性能改善的试验研究

7.4.1 两次喷油与单次喷油的比较

7.4.2 单次喷油改变喷油时刻对发动机性能影响的研究

7.4.3 喷嘴流量系数对两次喷油策略的影响

7.4.4 缸头温度对两次喷油控制策略的影响

7.4.5 喷雾锥角对两次喷油控制策略的影响

7.5 本章小结

第八章 全文总结和建议

8.1 论文主要结论

8.2 论文创新点

8.3 对下一步研究工作的建议

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要成果

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