摩托車汽油機進氣到附壁油膜研究.pdf

1、為實現(xiàn)節(jié)能減排，摩托車汽油機采用電控燃油噴射技術已成為必然趨勢，又因摩托車發(fā)動機具有對電控系統(tǒng)成本比較敏感的特點，故選擇進氣道噴射方式比較合理。雖然車用發(fā)動機進氣道噴射技術應用已經(jīng)比較成熟，但是考慮到摩托車發(fā)動機自身的特點，很難直接移植車用發(fā)動機技術。采用進氣道噴射時，對燃油霧化要求不高，燃油噴射壓力較低，幾乎全部的燃油都會到達進氣閥背面或者進氣道壁面形成附壁油膜，摩托車汽油機受發(fā)動機結(jié)構緊湊的限制，在進氣道內(nèi)的附壁油膜分布面積較小、厚

2、度較大，轉(zhuǎn)速高使得附壁油膜揮發(fā)時間較短。因此，如何提高燃油的揮發(fā)速率、降低進入氣缸的附壁油膜量，對摩托車汽油機噴油控制策略的制定、發(fā)動機整體性能的提高，都有著重要的理論意義和實用價值。
　　 為此，針對進氣道噴射式摩托車汽油機，采用臺架試驗和數(shù)值計算的方法對進氣道附壁油膜現(xiàn)象進行了研究。主要工作如下：
　　 1.進氣道附壁油膜進入氣缸方式的研究。對進氣道噴射式發(fā)動機進行研究的首要問題是確定是否存在附壁油膜及附壁油膜以何種

3、方式進入氣缸。通過比較分析測控系統(tǒng)在M/P模式下測量發(fā)動機瞬時轉(zhuǎn)速變化、在N/P模式下測量缸內(nèi)峰值壓力及在N/P模式下測量空燃比值等幾種不同方法，指出在N/P模式下測量空燃比值法能夠較好的檢測有無附壁油膜堆積現(xiàn)象，并利用該方法確定所研究發(fā)動機不存在附壁油膜堆積現(xiàn)象。通過對影響燃油揮發(fā)速率主要因素的分析，提出利用改變發(fā)動機機體溫度的方法來驗證附壁油膜循環(huán)剝落現(xiàn)象的存在，臺架試驗結(jié)果表明，當固定發(fā)動機轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門開度及循環(huán)噴油量時，隨機體溫

4、度升高，空燃比值迅速減小、HC減小而NOx升高。分析認為，在循環(huán)供油量保持不變的情況下，機體溫度升高出現(xiàn)混合氣變濃的現(xiàn)象，表明在機體溫度升高前存在未參與燃燒的燃油，即有液態(tài)形式燃油進入氣缸，由于采用閉閥噴射不存在噴射燃油直接進入氣缸的現(xiàn)象，且不存在油膜堆積，因此發(fā)動機存在每循環(huán)都有附壁油膜以液態(tài)形式進入氣缸的現(xiàn)象。同樣，當發(fā)動機采用閉閥噴射時，如果將噴油時刻推遲，則會使附壁油膜揮發(fā)時間變短，造成空燃比升高、HC排放增加而NOx排放減少，

5、此方法也可用作判別是否存在附壁油膜以液態(tài)形式進入氣缸的現(xiàn)象。
　　 2.數(shù)值計算模型的建立與驗證。由以上分析可知，所研究發(fā)動機存在每循環(huán)都有附壁油膜以液態(tài)形式進入的現(xiàn)象，而減少以液態(tài)形式進入氣缸附壁油膜量的方法是加速燃油揮發(fā)。為對影響燃油揮發(fā)速率的因素進行更詳細的分析，采用數(shù)值計算的方法進行了研究。采用數(shù)值計算分析的前提是計算網(wǎng)格的建立，為此首先依據(jù)網(wǎng)格劃分的一般原則，建立了計算所需的網(wǎng)格模型，根據(jù)計算需要，通過對模型基本機理的

6、分析，分別選擇了霧化、蒸發(fā)及附壁油膜子模型；然后采用可視化實驗的方法對噴霧、碰壁、蒸發(fā)模型進行驗證，通過紋影法、激光散射法與數(shù)值計算結(jié)果的對比表明，模型預測的噴霧及碰壁過程與實驗結(jié)果比較吻合，對所研究問題有較好的適應性，同時模型所反映的噴霧隨進氣流動的變化規(guī)律與實驗結(jié)果也比較吻合，表明所選用的模型可用于后續(xù)工作研究中。
　　 3.閉閥噴射時燃油揮發(fā)速率與其影響因素關系的研究。為提高燃油揮發(fā)速率，采用數(shù)值計算的方法對閉閥噴射方式下

7、，不同機體溫度時燃油落點、噴射距離、噴油時刻及進氣回流等因素對燃油揮發(fā)速率的影響進行了研究，得到以下結(jié)論：
　　 1)燃油揮發(fā)速率主要受機體溫度和進氣氣流的影響，當進氣道溫度較低時，靠吸熱揮發(fā)的速率較慢，進氣氣流對附壁油膜揮發(fā)的促進作用比較明顯；當機體溫度較低，燃油落點為進氣閥背面上部與進氣道交界處時附壁油膜揮發(fā)效果最好；噴射距離較長時，由于部分附壁油膜分布到溫度較低的進氣道壁上反而不利于附壁油膜的揮發(fā)；進氣回流及噴油時刻提前都

8、有助于附壁油膜的揮發(fā)。
　　 2)當機體溫度較低時，通過對燃油落點、噴射距離及噴油時刻等因素的調(diào)整可以提高燃油揮發(fā)速率，但是改善效果不明顯，仍然有較大量附壁油膜以液態(tài)形式進入氣缸。
　　 3)當機體溫度升高后，揮發(fā)速率明顯提高，進入氣缸的液態(tài)附壁油膜量大幅減少；此時燃油落點處于進氣閥背面高溫區(qū)域時附壁油膜揮發(fā)仍然有優(yōu)勢；進氣回流依然能夠加速附壁油膜揮發(fā)；噴射距離較長時，由于附壁油膜分布區(qū)域擴大有助于附壁油膜揮發(fā)；噴油時刻

9、對附壁油膜揮發(fā)的影響變?nèi)酢?br>　　 4.開閥噴射時燃油揮發(fā)速率與其影響因素關系的研究。為研究開閥噴射模式下提高燃油揮發(fā)速率的方法，采用數(shù)值計算的方法研究了燃油落點、噴射距離、噴油時刻及進氣回流等參數(shù)對進氣道噴射式摩托車汽油機燃油揮發(fā)速率的影響，研究結(jié)果表明：
　　 1)開閥噴射時，附壁油膜落點處于高速氣流區(qū)有助于提高燃油的揮發(fā)速率。綜合考慮燃油空間揮發(fā)量與附壁油膜揮發(fā)量，噴射距離過遠不利于燃油揮發(fā)；進氣回流對燃油揮發(fā)速率能

10、夠起到促進作用；噴油時刻為進氣閥剛開啟時燃油揮發(fā)速率最大。
　　 2)當節(jié)氣門開度變大時，進氣流速的升高使得燃油總體揮發(fā)速率提高；燃油落點、噴射距離、進氣回流及噴油時刻對燃油揮發(fā)速率的影響規(guī)律與小節(jié)氣門開度時一致。
　　 3)開閥噴射時，較高的機體溫度能夠大幅提高燃油揮發(fā)速率；機體溫度對燃油揮發(fā)速率的影響大于進氣氣流的影響。
　　 4)與閉閥噴射相同，當機體溫度較低時，通過對燃油落點、噴射距離及噴油時刻等因素的調(diào)

11、整可以提高燃油揮發(fā)速率，但是改善效果不明顯，仍然有較大量附壁油膜以液態(tài)形式進入氣缸。
　　 5.兩次燃油噴射方式對燃油揮發(fā)速率的影響。根據(jù)單次噴射的分析可知閉閥噴射和開閥噴射有各自的特點，為充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，將兩次燃油噴射技術進行拓展，用以改善進氣道噴射式摩托車汽油機燃油揮發(fā)速率。研究結(jié)果表明，將所需燃油分作兩次噴射時，閉閥時所噴射燃油形成的附壁油膜厚度減小，同時延長了附壁油膜揮發(fā)時間，開閥時所噴射的燃油增加燃油與空氣的相互作

12、用，從而增加附壁油膜分布面積，并且可以將一部分燃油直接帶人氣缸，從而提高燃油揮發(fā)速率。在怠速暖機工況下，通過膨脹沖程和進氣沖程不同噴油比例的對比可知，當膨脹沖程和進氣沖程噴射燃油比例保持1:1時燃油揮發(fā)速率最大；對于高速大負荷工況，通過燃油噴射比例的調(diào)整可知，膨脹沖程占較大比例時更有利于減少附壁油膜的現(xiàn)象。分別在怠速工況和高速大負荷工況下，通過對單次噴油與兩次噴油的對比可知：怠速工況時，相對于單次噴射，兩次燃油噴射對燃油揮發(fā)速率的提高比

13、較明顯；高速大負荷工況時，由于此時機體溫度高、進氣流速大，使得兩次噴油的優(yōu)勢變的不明顯。
　　 6.兩次燃油噴射方式的試驗研究。計算分析表明當機體溫度較低時，采用兩次燃油噴射方式能夠有效減少以液態(tài)形式進入氣缸的附壁油膜量。為此利用臺架實驗對兩次燃油噴射進行了研究。結(jié)果表明，發(fā)動機處于小節(jié)氣門開度時，推遲膨脹沖程噴油及進氣沖程時刻，都會造成混合氣變稀、發(fā)動機功率下降、HC排放升高的現(xiàn)象，膨脹沖程所噴射燃油所占噴油總量的比例較大時，

14、有利于改善發(fā)動機性能，與單次噴射相比，采用兩次燃油噴射技術能夠明顯增加混合氣濃度，改善發(fā)動機性能，這與計算分析結(jié)果一致。當發(fā)動機處于高速大節(jié)氣門開度時，由于發(fā)動機機體溫度較高，進氣流動較強，噴油時刻對混合氣濃度的影響不明顯，與單次噴射相比，采用兩次燃油噴射技術無明顯優(yōu)勢，這與計算分析結(jié)果一致。與單次閉閥噴射相比，如果調(diào)整單次噴油時刻使噴射燃油能夠經(jīng)歷開閥噴射和閉閥噴射兩種模式，對發(fā)動機性能也起到一定的改善作用；當發(fā)動機機體溫度升高時，兩