变气门升程对涡轮增压缸内直喷汽油机工作过程影响的模拟研究

论文摘要

随着能源资源日趋紧张和排放法规的日益严格，节能减排成为内燃机发展的主题。由于缸内直喷汽油机在改善汽油机经济性和排放方面有巨大潜力而倍受关注。基于均质当量比燃烧的新一代缸内直喷汽油机在部分负荷控制上有较大的泵气损失，因此经济性有较大的提升潜力。变气门升程技术可有效降低泵气损失，提高发动机的经济性。研究变气门升程技术对缸内流动、混合气形成、燃烧过程的影响，为实现无节气门负荷控制提供理论依据。本文针对基于均质当量比燃烧的缸内直喷汽油机降低泵气损失、优化混合气形成的问题，利用三维模拟方法，研究了在气门定时和气门持续期不变的条件下，对某缸内直喷汽油机在2000r/min时，变进气门升程策略对发动机进气、压缩及燃烧过程的影响，以及由变气门升程引起的排放的变化。研究表明，在过气门轴线的铅垂面内，进气初期进气门下方形成明显的双滚流结构，且随着最大进气门升程的减小，左侧逆时针滚流逐渐向左偏移。在进气中期，最大进气门升程MVL=7.7mm时，缸内左侧逆时针滚流不断增强，形成大尺度逆时针滚流结构；当MVL降为4mm时，缸内两滚流运动均不断加强，形成双滚流结构；当MVL=1mm时，缸内右侧顺时针滚流不断增强，形成明显的顺时针滚流结构。发动机进气过程中形成的涡流较弱，在三种MVL下整体平均涡流比小于0.1。最大进气门升程的减小，使缸内平均涡流比峰值有所增大，在MVL为1mm时平均涡流比最大值达0.1。对本文所用机型，在2000rpm下保持进气门正时和进气持续期不变，最大进气门升程大于3mm时，进气门升程的变化使进气量在较小的范围内变化，而最大进气门升程小于3mm时，进气门升程在小范围内的微小变化，将会引起进气量较大的变化。对文中所用机型，当MVL大于3mm时，进气门升程的减小有利于缸内燃气混合，在一定程度上提高了缸内混合气的均匀性，MVL为7.7mm时，点火时刻缸内燃空当量比不均匀度为0.674；而MVL为4mm时，缸内燃空当量比不均匀度为0.622。在2000rpm低进气量下，采用变进气门升程控制负荷，可有效降低进气过程的换气损失，但同时缸内混合气的不均匀度有所升高，点火时刻燃空当量比不均匀度为0.56。因此，不均匀的混合气分布使燃烧速率减缓，燃烧续期增长。同时NOx排放有所降低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 汽油机的油耗
• 1.3 汽油机的排放
• 1.4 汽油机发展新技术
• 1.5 缸内直喷汽油机研究概况
• 1.6 变气门驱动技术的应用
• 1.7 内燃机数值模拟研究概述
• 1.7.1 零维模型
• 1.7.2 准维模型
• 1.7.3 多维模型
• 1.8 本课题研究内容及意义
• 第二章 计算模型和控制方程
• 2.1 拉格朗日多相流
• 2.2 RNG k- ε湍流模型
• 2.3 喷雾模型
• 2.4 燃烧模型
• 2.5 NOx生成模型
• 2.6 碳烟模型
• 2.7 数值计算算法
• 第三章 不同进气门升程对缸内流场的影响
• 3.1 计算模型的建立
• 3.1.1 几何模型
• 3.1.2 边界条件及喷油参数设置
• 3.1.3 计算模型有效性验证
• 3.2 计算工况
• 3.3 流场参数分析
• 3.4 缸内流场结构演变过程
• 3.4.4 截面I流动特性分析
• 3.4.5 截面II流动特性分析
• 3.5 不同进气门升程对缸内流场的影响
• 3.6 不同进气门升程对缸内平均参数的影响
• 3.6.1 不同气门升程对缸内平均滚流比的影响
• 3.6.2 不同气门升程对缸内平均涡流比的影响
• 3.7 不同进气门升程对进气量的影响
• 3.8 本章小结
• 第四章 不同进气门升程对喷雾、燃烧过程的影响
• 4.1 计算工况
• 4.2 缸内参数
• 4.3 不同进气门升程对混合气形成过程的影响
• 4.3.1 高进气量下变气门升程对缸内混合气的影响
• 4.3.2 低进气量下变进气门升程对缸内混合气的影响
• 4.4 不同进气门升程对燃烧过程的影响
• 4.5 不同进气门升程对NOx的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 全文总结与工作展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢