可变气门驱动对汽油机缸内气体流动特性及整机性能影响的研究

论文摘要

汽油机部分负荷热效率低的主要原因之一是由于节气门部分开启造成泵气损失所致。若取消节气门,通过采用可变气门驱动技术对汽油机的有效排量进行调节来控制缸内气体质量,则不需要降低气道及缸内压力,基本上避免了泵气损失,从而实现汽油机的无节气门负荷控制。然而,取消节气门,采用可变气门负荷控制,会使汽油机的工作状态产生很大变化,尤其是可变气门升程,对缸内气流运动、燃油雾化混合及燃烧将产生很大影响。本文通过三维数值模拟方法研究了可变气门升程负荷控制模式下,不同工况(不同气门升程曲线,不同转速)时,缸内气体的流动规律,并与PIV流场测试实验相印证,阐明了不同气门升程下缸内气流运动规律及其对燃油雾化和混合气形成的影响。并采用一维数值模拟方法研究了可变气门负荷控制对发动机性能影响,在此基础上,阐明了无节气门负荷控制减少汽油机泵气损失,继而提高发动机性能的机理。研究表明,进气行程中,缸内流动呈现两种走向。左侧气流直接沿进气门侧气缸壁向下发展;右侧气流经排气门侧燃烧室壁向下流入气缸,缸内形成明显的双涡结构。当活塞开始上行,左侧涡迅速衰减,缸内逐渐形成一顺时针旋转的大涡。压缩过程后期,滚流不断受到挤压破碎成小涡,同时大尺度环流与小尺度涡团发生对流使得后者不断破碎,湍流强度达到后期峰值。滚流比随气门升程的降低呈减小趋势;随发动机转速的升高而有小幅增大。发动机在低转速时,采用低气门升程,需要采取其它措施加强缸内滚流。随发动机转速的升高,缸内湍动能绝对值增大。无量纲湍流强度(除去活塞平均速度)随气门升程的降低而增大,尤其是进气初期增大十分明显,转速960r/min气门升程1.7mm时,初期峰值达到2.9,且随气门升程的降低,湍流强度峰值时刻不断后推(转速6000r/min气门升程1.7mm时后推幅度达到48°CA),有助于湍流的保持。低气门升程下进气射流所形成的强湍流有助于燃油油滴的破碎及雾化混合;但气门升程降低对燃油进入气缸有一定的阻碍作用。采用VVLT(可变气门升程及气门开启持续期)负荷控制方式实现汽油机全工况的米勒循环工作方式,可以大幅提高汽油机有效热效率,怠速工况油耗改善幅度达到25%。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 可变气门驱动技术的研究现状
• 1.3 无节气门负荷控制的实现
• 1.4 内燃机缸内气流运动的作用
• 1.5 内燃机缸内流场研究方法
• 1.5.1 内燃机缸内流场的实验研究
• 1.5.2 内燃机缸内流场的数值研究
• 1.6 本课题研究内容及意义
• 第二章 计算模型的建立
• 2.1 实验发动机基本参数
• 2.2 数学模型
• 2.2.1 基本守恒方程
• 2.2.2 RNG k-ε湍流模型
• 2.2.3 喷雾子模型
• 2.3 控制方程的离散
• 2.4 数值计算算法
• 2.5 动网格模型生成
• 2.5.1 动网格生成策略
• 2.5.2 气门与活塞运动控制
• 2.5.3 动网格生成流程
• 2.6 边界条件
• 2.7 本章小结
• 第三章 不同气门升程曲线下缸内气流运动特性分析
• 3.1 计算工况及流场分析参数
• 3.1.1 计算工况
• 3.1.2 流场总体分析参数
• 3.1.3 流场分析截面
• 3.2 数值模拟结果的实验验证
• 3.2.1 PIV 测试系统
• 3.2.2 典型工况流场结构对比验证及滚流流场演化规律
• 3.2.3 缸内滚流比预测与滚流比验证
• 3.3 不同气门升程曲线下缸内气流运动特性分析
• 3.3.1 可变气门升程对缸内滚流的影响
• 3.3.2 可变气门升程对缸内涡流的影响
• 3.3.3 可变气门升程对缸内湍流的影响
• 3.4 极低气门升程对汽油机燃油雾化及混合气形成的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 可变气门驱动对汽油机性能影响
• 4.1 米勒循环原理及不同负荷控制方式
• 4.2 计算模型建立与校正
• 4.3 计算结果分析
• 4.3.1 不同负荷控制方式对汽油机部分负荷性能影响分析
• 4.3.2 VET 负荷控制方式对汽油机全负荷工况性能的影响
• 4.3.3 汽油机全工况无节气门负荷控制的实现
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢