GDI发动机缸内滚流特性及其对喷雾的影响研究

摘要

缸内直喷汽油机（Gasoline Direct Injection，GDI）以良好的动力性和较低的燃油消耗率正被逐渐广泛采用。但相对传统燃油气道喷射，缸内直喷燃油喷射压力高，造成油束撞壁排放恶化。同时燃油雾化混合时间缩短，混合气形成循环变动加剧，导致燃烧循环变动增大，发动机性能下降。可见，良好的混合气形成是GDI发动机性能提升与优化的关键，而缸内气流运动是影响混合气形成的重要因素。因此，明确缸内气流运动与燃油喷雾混合的相互关系，就成为直喷汽油机研究的重点之一。
　　本文利用 PIV技术在一台基于直喷汽油机改造的可变滚流光学发动机上研究了三种不同进气状况下的缸内滚流运动，利用本征正交分解方法对缸内滚流及其对循环变动的影响进行研究。并在高、低滚流比工况下开展喷雾，研究缸内流动组织对燃油喷雾混合的影响，根据Mie散射光强统计油滴信息熵分布，分析混合气的均匀程度。
　　在发动机缸内流动研究方面，通过调整进气道入口处翻板和挡板促进发动机缸内滚流提前形成并提高滚流比，进气门关闭时刻滚流比由开启时的0.5提升到2左右。将 POD方法应用于流场循环变动分析发现，拟序流场是导致循环变动的主要因素，且单一大尺度滚流能削弱拟序流场。在重构流场中，平均流场携带50％以上的流场能量，决定着每循环缸内的基本流场结构；拟序流场包含着较大尺度的拟序结构，循环差异性大。通过增大缸内滚流比，拟序流场占能比最大值由30%则下降为14%，拟序流场的循环变动削弱，从而抑制了缸内整体气流运动的循环变动。
　　在滚流与喷雾混合的相互影响方面，低滚流比工况下，喷雾使缸内单一滚流在180℃A ATDC之前提早形成，但喷雾对高滚流比工况缸内滚流的形成时刻影响较小。在喷雾开始后(After start of injection, ASOI)1.0ms之前（喷雾未结束），油束竖直向下速度大，横向速度较小，贯穿距增加较快，相反喷雾锥角增加缓慢；1.0msASOI之后（喷雾结束），缸内流动对油束发展起主要的影响作用，缸内滚流使得油束卷吸增加其喷雾锥角，同时减缓贯穿距增加。同时缸内滚流强度直接影响流场剪切应变率，高滚流比下缸内剪切应变率最大值由低滚流比时的2000 s-1提高到2400 s-1，促进油滴从油束表面剥离，同时油束在气流的卷吸作用下涡量最大值也增加到6000 s-1左右，增大了油束的锥角，减小油束贯穿距。另外，高滚流下缸内油滴散射图像熵值较低滚流增加了5%，且统计分布集中，说明缸内混合气分布均匀且波动小。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1资源短缺与汽车发展

1.2直喷汽油机的发展

1.3发动机缸内气流运动实验研究

1.4 GDI汽油机缸内流动对喷雾影响的研究

1.5本课题研究内容及意义

第二章 实验设备及数据处理方法

2.1实验设备

2.2 PIV测试系组成

2.3数据处理方法

2.4本章小结

第三章 GDI发动机缸内滚流研究

3.1实验工况

3.2流场分解

3.3缸内流场分析

3.4流场循环变动分析

3.5本章小结

第四章 滚流对喷雾油束及缸内油滴分布的影响

4.1实验工况

4.2有无喷雾速度场比较

4.3喷雾宏观图像分析

4.4喷雾涡量场、剪切应变率

4.5油滴分布熵统计

4.6本章小结

第五章 结论与展望

5.1主要结论

5.2展望

参考文献

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