高热效率汽油机燃烧系统优化匹配研究

摘要

当前的能源问题和环境问题越来越严重，高效节能已成为汽车行业不断追求的设计目标，在直喷汽油机上采用高压缩比和米勒循环技术是改善燃油经济性的有效设计方案之一。燃烧系统的合理设计可以优化缸内湍动能和当量比的分布，提高缸内湍流强度，改善汽油机燃烧性能。CFD仿真技术可以有效缩短发动机的设计开发周期，已成为发动机开发设计的重要手段。本文以在一台 MPI 发动机基础上设计的 2.0L 自然吸气高压缩比缸内直喷汽油机为研究对象，为实现快速燃烧，降低汽油机爆震倾向，使用CFD仿真技术研究了进气道结构和喷油器相关参数对汽油机缸内流动和燃烧的影响。 首先，本文设计了三组不同的进气道，探究了超高滚流对直喷汽油机缸内流动和燃烧的趋势性影响。在芯盒制作后，通过气道稳态试验验证了三组气道的差异性。研究中共设计了四套计算方案，其中方案4为排除流量系数不同带来的进气质量流量的影响，采用了方案 3 的进气道和方案 2 的进气边界。通过计算发现，滚流比的大小影响混合气的分布和湍动能的强度；较强的滚流比可以将更多能量保留到上止点附近，提高点火时刻缸内平均湍动能，缩短燃烧持续期；在此燃烧系统中，过高的滚流比对发动机性能的提升已无明显作用。在综合分析的基础上，为兼顾流量系数，选定进气道2作为后续研究的进气道设计方案。 其次，本文在活塞和进气道2的设计基础上，初步探究了20MPa和35MPa喷油压力对燃烧系统的影响。计算结果表明，35MPa喷油压力在燃油雾化和蒸发上占有一定的优势，但其缸内的湍动能和滚流比相对较低；同时 35MPa 喷油压力前期的壁面平均油膜厚度增加；在此燃烧系统中 35MPa 喷油压力的燃烧状况相比较差，喷雾压力的调整需要全面考虑其他因素。 然后，本文为了优化喷雾和活塞以及进气道的匹配，设计了四组喷油方向，在35MPa喷油压力下研究了喷油方向对缸内流场的影响。通过计算发现：Inject3方案显著提高了缸内的湍动能和滚流比，Inject2 方案后期的湍动能也有所提高，但两方案仍然出现了过浓区。Inject4 方案相比其它三方案当量比分布最为均匀。通过对缸内流场、燃油蒸发速度和壁面油膜的综合分析，发现 Inject4 方案为最优方案。 最后，本文对采用了进气道2、35MPa喷射压力和Inject4喷油方向设计方案的样机进行了试制和初步试验分析，对发动机经济性和相应工况下的燃烧性能指标进行了分析，为后续高热效率发动机的设计优化提供了一定的依据。

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