點火室式直噴汽油機燃燒系統(tǒng)及其噴霧特性研究.pdf

1、相對于進氣道噴射汽油機而言，缸內(nèi)直噴汽油機具有燃油經(jīng)濟性好、響應快、冷啟動容易、空燃比控制精確、EGR率大、排放低等優(yōu)點，將成為進氣道噴射汽油機的替代產(chǎn)品。而其點火可靠性和燃燒穩(wěn)定性的提高一直是研究的關鍵點。為此，作者提出了點火室式直噴(DISC: Direct-Injection Sub-Chamber)汽油機燃燒系統(tǒng)的概念，即：在缸蓋上設置一點火室，點火室與主燃燒室由通道相連，火花塞位于室內(nèi)，噴油嘴置于室內(nèi)或室外。通過利用機械式三次

2、噴射油嘴的噴射特性，或利用進氣氣流和壓縮擠流運動的燃油噴射策略，或利用噴霧在不同背壓下的貫穿距特性和壓縮擠流運動的燃油噴射策略，來保證在不同工況下，點火室內(nèi)的混合氣濃度都在可點燃范圍內(nèi)，從而確保點火可靠性。由于點火室噴出的火焰能量大大超過火花塞的點火能量，提高了燃燒穩(wěn)定性，可以進一步擴大缸內(nèi)直噴汽油機的稀薄燃燒范圍，提高經(jīng)濟性，并能降低控制系統(tǒng)的難度。 對一臺直噴柴油機的供油系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)進行了改造，增設了電控點火系統(tǒng)，使其成為

3、點火室式直噴汽油機的原理樣機。在這臺樣機上，進行了點火可靠性和怠速排放性能實驗。結果表明：經(jīng)過改裝后的發(fā)動機各部件工作正常，電控點火系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足燃燒系統(tǒng)初步驗證試驗的要求。發(fā)動機可以在空燃比48下穩(wěn)定運行，并具有400r/min的超低怠速。經(jīng)過優(yōu)化的點火室式直噴汽油機具有低于國3標準的排放性能。 為了保證點火室內(nèi)混合氣的當量比濃度，設計了機械式三次噴射油嘴，并完成了其工作過程的數(shù)值模擬，分析了各噴孔的噴射特性。計算結果表明

4、：三次噴射油嘴能夠保證從恒量噴孔噴射出的燃油量不受循環(huán)供油量的影響，其恒量噴孔及主噴孔的噴射性能均能夠滿足點火室式直噴汽油機的要求。 三次噴射油嘴的噴霧噴入到點火室內(nèi)，是一個近距離多次碰撞的復雜過程。使用激光吸收散射法和CFD計算程序?qū)c火室內(nèi)的混合氣形成過程進行了實驗和模擬研究，并對目前可獲得的噴霧/壁面作用模型進行了評價。實驗結果表明，不同的碰撞角度對噴霧在點火室內(nèi)的發(fā)展和混合氣形成過程有顯著影響。高的噴射壓力會提高噴霧的汽

5、化速度，但是對噴射終了時刻氣相質(zhì)量的絕對值影響不大。當環(huán)境溫度和壓力較低時，噴霧的汽化速度非常低，會造成點火室內(nèi)火花塞的濕潤現(xiàn)象，因此噴霧不宜過早噴入點火室。點火室深度較小時可以縮短其內(nèi)部形成均勻混合氣的時間，但是也會造成火花塞的濕潤現(xiàn)象。不同的噴霧/壁面作用模型計算結果有很大的差別，很難各個方面都與實驗結果相吻合。 由于對噴油時刻和霧化的要求，應用于本燃燒系統(tǒng)的汽油多孔噴油嘴不能像柴油機用多孔噴油嘴那樣采用較大的噴孔夾角。為了

6、研究小夾角噴霧之間的相互干涉現(xiàn)象，加工了小噴孔軸線夾角的雙孔噴嘴。使用激光吸收散射法對雙孔噴霧特性進行了測量，并將結果與作為基準的單孔噴霧進行了比較。與實驗相配合，使用三維CFD計算程序AVLFIRE對單孔及雙孔噴霧進行了數(shù)值模擬。結果表明：當噴孔軸線夾角小于25°時，由于兩噴束內(nèi)的液滴之間的碰撞和聚合，使噴霧的汽化速度降低。小液滴聚合成為大液滴，增加了液滴的動量，有使雙孔噴霧貫穿距增大的趨勢。另一方面，由于兩噴束內(nèi)液滴具有較高的軸向速

7、度，而周圍空氣未能及時補充到這個區(qū)域，使得在噴霧內(nèi)部形成了相對壓力較小的區(qū)域，使得雙孔噴霧貫穿距有減小的趨勢。雙孔噴霧的貫穿距是以上兩種因素相互作用的結果。存在于噴霧中心的低壓區(qū)域，使得雙孔噴霧的兩噴束有向噴霧中心偏移的趨勢，偏移量隨噴孔軸線夾角的變化而變化。噴霧撞壁對于噴霧的汽化速度有顯著的阻礙作用，需要盡量避免。在本燃燒系統(tǒng)中，指向活塞遠端的噴霧可以采用較小的噴孔軸線夾角，以獲得較長的貫穿距，來增加空氣利用率；而指向活塞近端的噴霧應