直噴汽油機(jī)缸內(nèi)過(guò)程穩(wěn)定性機(jī)理的可視化研究.pdf

1、無(wú)論從發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能，還是從節(jié)能及減排角度來(lái)講，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)相對(duì)于進(jìn)氣道噴射技術(shù)，都具有明顯優(yōu)勢(shì)。長(zhǎng)期以來(lái)，研究者開(kāi)發(fā)了各種技術(shù)以實(shí)現(xiàn)直噴汽油機(jī)機(jī)高效、清潔燃燒。但是，大部分技術(shù)都因缸內(nèi)強(qiáng)烈循環(huán)變動(dòng)的限制而無(wú)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(jī)的循環(huán)變動(dòng)問(wèn)題，設(shè)計(jì)并搭建了可實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)可視化的單缸直噴汽油機(jī)，并優(yōu)化設(shè)計(jì)一系列激光診斷試驗(yàn)，對(duì)缸內(nèi)燃油噴霧、氣流流動(dòng)、火核形成及燃燒過(guò)程進(jìn)行高頻多循環(huán)測(cè)量，并開(kāi)發(fā)先

2、進(jìn)數(shù)據(jù)處理手段定量分析缸內(nèi)各過(guò)程發(fā)展變化規(guī)律及循環(huán)變動(dòng)機(jī)理。
　　依托本課題發(fā)動(dòng)機(jī)的可視化優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)激光診斷技術(shù)以實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)各過(guò)程的準(zhǔn)確測(cè)量是本研究的關(guān)鍵。對(duì)于燃油噴霧，設(shè)計(jì)激光診斷試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)靜止環(huán)境定容容器中及可視化發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境下，燃油噴霧結(jié)構(gòu)的高速多循環(huán)測(cè)量;對(duì)于缸內(nèi)氣流流動(dòng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)高速粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)缸內(nèi)進(jìn)氣和壓縮過(guò)程中多循環(huán)氣流流動(dòng)的精確高頻測(cè)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(duì)缸內(nèi)的火核形成及燃燒

3、過(guò)程的循環(huán)變動(dòng)進(jìn)行分析。開(kāi)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(chǎng)，所得速度誤差在5％以內(nèi)。
　　高頻多循環(huán)測(cè)量獲得了大量復(fù)雜的缸內(nèi)數(shù)據(jù)。眾所周知，由于缸內(nèi)過(guò)程的強(qiáng)循環(huán)變動(dòng)特性，基于平均的缸內(nèi)數(shù)據(jù)分析并不能提供全面準(zhǔn)確的結(jié)論，甚至有時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。因此，在本研究，開(kāi)發(fā)了本征正交分解技術(shù)，對(duì)缸內(nèi)各過(guò)程進(jìn)行量化分析。本征正交分解在發(fā)動(dòng)機(jī)流場(chǎng)循環(huán)變動(dòng)分析領(lǐng)域，雖已有十余年應(yīng)用，但因其晦澀復(fù)雜，應(yīng)用過(guò)程產(chǎn)生大量疑問(wèn)，

4、文獻(xiàn)中對(duì)其結(jié)果解釋伴隨著眾多不確定點(diǎn)。本文創(chuàng)新性地通過(guò)以下三步明確直觀地解決了這些問(wèn)題。首先，基于基本原理，嚴(yán)密推導(dǎo)證明本征正交分解法的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)。其次，人工設(shè)計(jì)已知循環(huán)變動(dòng)的待分析數(shù)據(jù)集合，特意設(shè)計(jì)該集合使其具有單一特定的循環(huán)變動(dòng)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行本征正交分解，可明確直觀地顯示本征正交分解的特點(diǎn)。本文首次明確地闡述了本征正交分解的屬性。最終，通過(guò)對(duì)兩組極端發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流場(chǎng)的分析，明確了本征正交分解在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用的特性及應(yīng)注意的問(wèn)題。

5、r>　　此外，對(duì)本征正交分解法做了進(jìn)一步的推廣，將其首次應(yīng)用于燃油噴霧循環(huán)變動(dòng)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(dòng)的方法，在噴霧循環(huán)變動(dòng)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(jī)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(duì)循環(huán)變動(dòng)的影響，并去除缸內(nèi)氣流流動(dòng)的影響，首先在定容容器靜止環(huán)境中對(duì)噴霧循環(huán)變動(dòng)進(jìn)行研究。鑒于定容容器可準(zhǔn)確分離控制噴油參數(shù)的優(yōu)勢(shì)，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(duì)循環(huán)變動(dòng)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(duì)循環(huán)變動(dòng)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(dòng)。
　　然后，為去除缸內(nèi)噴霧影響，單獨(dú)研究缸內(nèi)氣流流動(dòng)的規(guī)律，將可視化發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在倒拖無(wú)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(dòng)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(shí)刻的流場(chǎng)集合，從而研究循環(huán)之間的變動(dòng)。本研究開(kāi)發(fā)新穎的固定相位本征正交分析法，實(shí)現(xiàn)同時(shí)定量研究氣流變化規(guī)

7、律及其循環(huán)變動(dòng)特性的目的。該方法對(duì)高速粒子圖像測(cè)速所測(cè)得的多循環(huán)多曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)刻的氣流流場(chǎng)實(shí)施本征正交分解。因此，對(duì)所有時(shí)刻的流場(chǎng)獲取了一組相同的基函數(shù)，可通過(guò)本征正交分解所得系數(shù)在不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)刻的變化，分析流場(chǎng)在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)內(nèi)的變化規(guī)律;同時(shí)，可分析系數(shù)在相同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)刻、不同循環(huán)之間的分布以研究循環(huán)之間該時(shí)刻的變動(dòng)特性。前三個(gè)基函數(shù)即可獲取流場(chǎng)集合中80％以上的動(dòng)能，通過(guò)對(duì)這三個(gè)基函數(shù)的分析，可定量、同時(shí)研究流場(chǎng)變化規(guī)律和循環(huán)變動(dòng)特性

8、。研究發(fā)現(xiàn)，缸內(nèi)流場(chǎng)具有強(qiáng)烈的循環(huán)變動(dòng)特征。
　　接著，在可視化發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際流場(chǎng)環(huán)境下，對(duì)燃油噴霧的循環(huán)變動(dòng)特征進(jìn)行分析。在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境中，由于氣流的影響，噴霧結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的循環(huán)變動(dòng)特性。基于本征正交分解法，將缸內(nèi)流場(chǎng)分為三種類(lèi)型，這三種類(lèi)型的流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生三種不同類(lèi)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(lèi)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(jī)中的燃油噴霧歸納為三種類(lèi)型:

9、液體射流、閃沸噴霧及兩者之間過(guò)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(lèi)型噴霧在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的循環(huán)變動(dòng)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(dòng);過(guò)渡狀態(tài)的噴霧具有最強(qiáng)的循環(huán)變動(dòng)，其強(qiáng)度為閃沸噴霧的6.6倍。另外，對(duì)燃油噴霧在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的噴霧結(jié)構(gòu)變化及循環(huán)變動(dòng)特征也做了深入量化分析。
　　至此，完成了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前缸內(nèi)過(guò)程的深入研究。最終，將可視化發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在點(diǎn)火模式，對(duì)火核形成、火焰?zhèn)鞑ゼ捌溲h(huán)變動(dòng)特性進(jìn)行可

10、視化研究。對(duì)缸內(nèi)火焰進(jìn)行可視化是研究發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒的有力工具，尤其是早期火焰階段，基于缸壓的分析無(wú)法提供有效信息。本文在可視化發(fā)動(dòng)機(jī)中，對(duì)缸壓和缸內(nèi)火焰進(jìn)行同步高頻(9600Hz)多循環(huán)采集。通過(guò)分析火核面積、火核形成位置及早期火焰?zhèn)鞑ニ俣葓?chǎng)的循環(huán)變動(dòng)，闡釋了早期火核形成階段的循環(huán)變動(dòng)特性?；鸷诵纬呻A段循環(huán)之間微小的不同，會(huì)產(chǎn)生完全不同的后期火焰?zhèn)鞑ゼ案讐禾匦?，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出及排放特性的循環(huán)變動(dòng)。另外，基于缸壓進(jìn)行放熱率分析，其結(jié)果