直噴汽油機缸內(nèi)過程穩(wěn)定性機理的可視化研究.pdf

1、無論從發(fā)動機動力性能，還是從節(jié)能及減排角度來講，缸內(nèi)直噴汽油機相對于進氣道噴射技術(shù)，都具有明顯優(yōu)勢。長期以來，研究者開發(fā)了各種技術(shù)以實現(xiàn)直噴汽油機機高效、清潔燃燒。但是，大部分技術(shù)都因缸內(nèi)強烈循環(huán)變動的限制而無法發(fā)揮其最大作用。在本研究中，為從根源上深入、系統(tǒng)地研究直噴汽油機的循環(huán)變動問題，設(shè)計并搭建了可實現(xiàn)缸內(nèi)可視化的單缸直噴汽油機，并優(yōu)化設(shè)計一系列激光診斷試驗，對缸內(nèi)燃油噴霧、氣流流動、火核形成及燃燒過程進行高頻多循環(huán)測量，并開發(fā)先

2、進數(shù)據(jù)處理手段定量分析缸內(nèi)各過程發(fā)展變化規(guī)律及循環(huán)變動機理。
　　依托本課題發(fā)動機的可視化優(yōu)勢，優(yōu)化設(shè)計激光診斷技術(shù)以實現(xiàn)缸內(nèi)各過程的準確測量是本研究的關(guān)鍵。對于燃油噴霧，設(shè)計激光診斷試驗，實現(xiàn)對靜止環(huán)境定容容器中及可視化發(fā)動機環(huán)境下，燃油噴霧結(jié)構(gòu)的高速多循環(huán)測量;對于缸內(nèi)氣流流動，優(yōu)化設(shè)計高速粒子圖像測速系統(tǒng)，實現(xiàn)對缸內(nèi)進氣和壓縮過程中多循環(huán)氣流流動的精確高頻測量;同步高頻采集多循環(huán)缸內(nèi)火焰圖像及缸壓數(shù)據(jù)，對缸內(nèi)的火核形成及燃燒

3、過程的循環(huán)變動進行分析。開發(fā)新穎的火焰結(jié)構(gòu)相干技術(shù)，基于高頻火焰圖像量化早期火核傳播速度場，所得速度誤差在5％以內(nèi)。
　　高頻多循環(huán)測量獲得了大量復雜的缸內(nèi)數(shù)據(jù)。眾所周知，由于缸內(nèi)過程的強循環(huán)變動特性，基于平均的缸內(nèi)數(shù)據(jù)分析并不能提供全面準確的結(jié)論，甚至有時會產(chǎn)生誤導。因此，在本研究，開發(fā)了本征正交分解技術(shù)，對缸內(nèi)各過程進行量化分析。本征正交分解在發(fā)動機流場循環(huán)變動分析領(lǐng)域，雖已有十余年應(yīng)用，但因其晦澀復雜，應(yīng)用過程產(chǎn)生大量疑問，

4、文獻中對其結(jié)果解釋伴隨著眾多不確定點。本文創(chuàng)新性地通過以下三步明確直觀地解決了這些問題。首先，基于基本原理，嚴密推導證明本征正交分解法的數(shù)學理論基礎(chǔ)。其次，人工設(shè)計已知循環(huán)變動的待分析數(shù)據(jù)集合，特意設(shè)計該集合使其具有單一特定的循環(huán)變動，通過對其進行本征正交分解，可明確直觀地顯示本征正交分解的特點。本文首次明確地闡述了本征正交分解的屬性。最終，通過對兩組極端發(fā)動機缸內(nèi)流場的分析，明確了本征正交分解在發(fā)動機領(lǐng)域應(yīng)用的特性及應(yīng)注意的問題。

5、r>　　此外，對本征正交分解法做了進一步的推廣，將其首次應(yīng)用于燃油噴霧循環(huán)變動研究領(lǐng)域。結(jié)果顯示，本征正交分解作為一種定量分析循環(huán)變動的方法，在噴霧循環(huán)變動分析領(lǐng)域有極好應(yīng)用前景。作為燃燒系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，噴油器在缸內(nèi)直噴汽油機中起著至關(guān)重要的作用。因此，為系統(tǒng)研究噴油參數(shù)對循環(huán)變動的影響，并去除缸內(nèi)氣流流動的影響，首先在定容容器靜止環(huán)境中對噴霧循環(huán)變動進行研究。鑒于定容容器可準確分離控制噴油參數(shù)的優(yōu)勢，系統(tǒng)調(diào)查了噴油壓力、燃油溫度、環(huán)境

6、壓力及燃油屬性對循環(huán)變動的影響。結(jié)果顯示，本征正交分解可有效分析上述參數(shù)對循環(huán)變動的影響，但總體上，靜止環(huán)境中燃油噴霧具有極微弱的循環(huán)變動。
　　然后，為去除缸內(nèi)噴霧影響，單獨研究缸內(nèi)氣流流動的規(guī)律，將可視化發(fā)動機運行在倒拖無燃油噴霧模式，用本征正交分解法定量分析了氣流的循環(huán)變動特性。本征正交分解通常用于分析多循環(huán)同一曲軸轉(zhuǎn)角時刻的流場集合，從而研究循環(huán)之間的變動。本研究開發(fā)新穎的固定相位本征正交分析法，實現(xiàn)同時定量研究氣流變化規(guī)

7、律及其循環(huán)變動特性的目的。該方法對高速粒子圖像測速所測得的多循環(huán)多曲軸轉(zhuǎn)角時刻的氣流流場實施本征正交分解。因此，對所有時刻的流場獲取了一組相同的基函數(shù)，可通過本征正交分解所得系數(shù)在不同曲軸轉(zhuǎn)角時刻的變化，分析流場在發(fā)動機循環(huán)內(nèi)的變化規(guī)律;同時，可分析系數(shù)在相同曲軸轉(zhuǎn)角時刻、不同循環(huán)之間的分布以研究循環(huán)之間該時刻的變動特性。前三個基函數(shù)即可獲取流場集合中80％以上的動能，通過對這三個基函數(shù)的分析，可定量、同時研究流場變化規(guī)律和循環(huán)變動特性

8、。研究發(fā)現(xiàn)，缸內(nèi)流場具有強烈的循環(huán)變動特征。
　　接著，在可視化發(fā)動機實際流場環(huán)境下，對燃油噴霧的循環(huán)變動特征進行分析。在實際發(fā)動機環(huán)境中，由于氣流的影響，噴霧結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了強烈的循環(huán)變動特性?；诒菊髡环纸夥ǎ瑢⒏變?nèi)流場分為三種類型，這三種類型的流場會產(chǎn)生三種不同類型的噴霧結(jié)構(gòu)。此外，相同的噴油器由于燃油溫度及環(huán)境壓力的變化，可產(chǎn)生完全不同類型的燃油噴霧。本課題組基于前期在定容容器中的研究，將直噴汽油機中的燃油噴霧歸納為三種類型:

9、液體射流、閃沸噴霧及兩者之間過渡狀態(tài)。本文在前期工作基礎(chǔ)上，首次系統(tǒng)分析了三種類型噴霧在發(fā)動機缸內(nèi)的循環(huán)變動特征。結(jié)果顯示，閃沸噴霧可有效降低燃油噴霧循環(huán)變動;過渡狀態(tài)的噴霧具有最強的循環(huán)變動，其強度為閃沸噴霧的6.6倍。另外，對燃油噴霧在不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的噴霧結(jié)構(gòu)變化及循環(huán)變動特征也做了深入量化分析。
　　至此，完成了對發(fā)動機點火前缸內(nèi)過程的深入研究。最終，將可視化發(fā)動機運行在點火模式，對火核形成、火焰?zhèn)鞑ゼ捌溲h(huán)變動特性進行可

10、視化研究。對缸內(nèi)火焰進行可視化是研究發(fā)動機燃燒的有力工具，尤其是早期火焰階段，基于缸壓的分析無法提供有效信息。本文在可視化發(fā)動機中，對缸壓和缸內(nèi)火焰進行同步高頻(9600Hz)多循環(huán)采集。通過分析火核面積、火核形成位置及早期火焰?zhèn)鞑ニ俣葓龅难h(huán)變動，闡釋了早期火核形成階段的循環(huán)變動特性?；鸷诵纬呻A段循環(huán)之間微小的不同，會產(chǎn)生完全不同的后期火焰?zhèn)鞑ゼ案讐禾匦裕罱K導致發(fā)動機動力輸出及排放特性的循環(huán)變動。另外，基于缸壓進行放熱率分析，其結(jié)果