进气门和喷油对直喷汽油机混合气和燃烧控制的模拟研究

摘要

与传统进气道喷射式汽油机相比，直喷汽油机具有燃油经济性好、瞬态响应好等优点。但是，当直喷汽油机在小负荷工况下采用分层燃烧模式时，会导致NOx、未燃HC以及碳烟等有害产物的增加。此时，汽油机传统三效催化器的催化效率大大降低。因此，使用理论空燃比混合气仍然是当前直喷汽油机满足严格排放法规的必然选择。
　　本文以直喷汽油机小负荷时缸内混合气形成为研究对象，在三维计算流体力学软件Star-CD的框架基础之上，针对多孔汽油喷油器的特点，创新性地建立了Huh-Gosman-KH-RT复合雾化破碎模型。在分裂长度以内，采用Huh-Gosman破碎机理与KH破碎机理相互竞争模拟初始燃油破碎，在油束到达分裂长度之后，将RT破碎机理加入与前两者一同竞争。经过定容弹内喷油实验的验证，复合雾化破碎模型可以较准确预测油束的贯穿度。利用该模型对不同喷射压力和背景气体压力下的燃油喷射过程进行了研究。结果表明，背压越高，燃油破碎程度越低，而油束尾部破碎程度相对增强。提高喷油压力对于破碎的增强作用在高背压条件下更为显著。
　　建立了单缸GDI发动机的三维模拟平台。模拟研究了在固定喷油量，理论燃空比混合气燃烧模式下，进气门升程和喷油时刻对缸内混合气浓度不均匀性的控制作用。结果表明，进气门升程对混合气形成过程的影响大于喷油定时。小进气门升程和在进气门关闭之前喷油策略可以使缸内混合气浓度不均匀度最低。
　　为了解决平顶型活塞燃烧室在稀燃模式下不易在火花塞附近形成可燃混合气的问题，创新性地提出了具有主、副两个凹坑相连的直喷汽油机燃烧室。其中利用主凹坑对油束进行引导，利用副凹坑将晚喷燃油控制在主凹坑内。与原燃烧室相比，所设计的燃烧室可以在不同晚喷喷油定时下实现分层稀燃。
　　针对直喷汽油机分层稀燃模式下缸内存在局部混合气浓区而造成的排放较高问题，提出了采用二次喷射和提高二次喷油压力的喷油策略。模拟结果表明，采用这种喷油策略在保证火花塞附近形成可燃混合气的同时，降低了缸内混合气浓度的不均匀度，大大提高了燃烧速度，缩短了燃烧持续期，同时降低了缸内的NOx、未燃HC和碳烟生成量。

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第一章 绪论

1.1汽油缸内直喷技术的思想以及缸内直喷汽油机的运行模式

1.2缸内直喷汽油机混合气组织方式

1.3缸内直喷汽油机的优势

1.4缸内直喷汽油机面临的挑战

1.5缸内直喷汽油机的燃烧和排放控制

1.6燃油雾化破碎数值模拟研究进展

1.7 本课题的引出以及研究方法

1.8 研究意义以及主要研究内容

第二章 直喷汽油机多孔喷油器喷油过程的数值模拟

2.1定容弹内多孔汽油喷油器喷油过程实验

2.2基于Star-CD框架的燃油喷射模型的建立

2.3 雾化破碎模型的试验验证

2.4 定容弹内多孔喷油器汽油喷射过程的模拟研究

2.5 本章小结

第三章 直喷汽油机仿真平台的建立

3.1 试验用直喷汽油机简介

3.2 缸内直喷汽油机一维仿真模型的搭建

3.3 平顶活塞缸内直喷汽油机三维仿真模型的搭建

3.4 本章小结

第四章 进气门升程和喷油策略对直喷汽油机部分负荷时缸内气体流动和油气混合过程控制作用的研究

4.1可变气门策略对直喷汽油机混合气形成和燃烧影响的研究进展

4.2 进气门升程和喷油定时对直喷汽油机进气流动和油气混合过程

4.3 本章小结

第五章 单次喷油策略对直喷汽油机分层稀燃控制机理的研究

5.1 壁面引导式直喷汽油机燃烧室设计

5.2 凹坑型燃烧室直喷汽油机三维仿真模型的建立

5.3 单次喷油定时对缸内混合气分层、燃烧以及排放的控制作用研究

5.4 本章小结

第六章 二次喷油策略对直喷汽油机分层稀燃控制机理的研究

6.1 二次喷油对缸内混合气分层控制作用研究

6.2 二次喷油压力对直喷汽油机混合气分层、燃烧以及排放的影响

6.3 不同喷油策略对总IMEP的影响

6.4 本章小结

第七章 全文总结及展望

7.1全文总结

7.2未来工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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