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直喷汽油机缸内过程稳定性机理的可视化研究

陈豪  
【摘要】:无论从发动机动力性能,还是从节能及减排角度来讲,缸内直喷汽油机相对于进气道喷射技术,都具有明显优势。长期以来,研究者开发了各种技术以实现直喷汽油机机高效、清洁燃烧。但是,大部分技术都因缸内强烈循环变动的限制而无法发挥其最大作用。在本研究中,为从根源上深入、系统地研究直喷汽油机的循环变动问题,设计并搭建了可实现缸内可视化的单缸直喷汽油机,并优化设计一系列激光诊断试验,对缸内燃油喷雾、气流流动、火核形成及燃烧过程进行高频多循环测量,并开发先进数据处理手段定量分析缸内各过程发展变化规律及循环变动机理。 依托本课题发动机的可视化优势,优化设计激光诊断技术以实现缸内各过程的准确测量是本研究的关键。对于燃油喷雾,设计激光诊断试验,实现对静止环境定容容器中及可视化发动机环境下,燃油喷雾结构的高速多循环测量;对于缸内气流流动,优化设计高速粒子图像测速系统,实现对缸内进气和压缩过程中多循环气流流动的精确高频测量;同步高频采集多循环缸内火焰图像及缸压数据,对缸内的火核形成及燃烧过程的循环变动进行分析。开发新颖的火焰结构相干技术,基于高频火焰图像量化早期火核传播速度场,所得速度误差在5%以内。 高频多循环测量获得了大量复杂的缸内数据。众所周知,由于缸内过程的强循环变动特性,基于平均的缸内数据分析并不能提供全面准确的结论,甚至有时会产生误导。因此,在本研究,开发了本征正交分解技术,对缸内各过程进行量化分析。本征正交分解在发动机流场循环变动分析领域,虽已有十余年应用,但因其晦涩复杂,应用过程产生大量疑问,文献中对其结果解释伴随着众多不确定点。本文创新性地通过以下三步明确直观地解决了这些问题。首先,基于基本原理,严密推导证明本征正交分解法的数学理论基础。其次,人工设计已知循环变动的待分析数据集合,特意设计该集合使其具有单一特定的循环变动,通过对其进行本征正交分解,可明确直观地显示本征正交分解的特点。本文首次明确地阐述了本征正交分解的属性。最终,通过对两组极端发动机缸内流场的分析,明确了本征正交分解在发动机领域应用的特性及应注意的问题。 此外,对本征正交分解法做了进一步的推广,将其首次应用于燃油喷雾循环变动研究领域。结果显示,本征正交分解作为一种定量分析循环变动的方法,在喷雾循环变动分析领域有极好应用前景。作为燃烧系统的关键部件,喷油器在缸内直喷汽油机中起着至关重要的作用。因此,为系统研究喷油参数对循环变动的影响,并去除缸内气流流动的影响,首先在定容容器静止环境中对喷雾循环变动进行研究。鉴于定容容器可准确分离控制喷油参数的优势,系统调查了喷油压力、燃油温度、环境压力及燃油属性对循环变动的影响。结果显示,本征正交分解可有效分析上述参数对循环变动的影响,但总体上,静止环境中燃油喷雾具有极微弱的循环变动。 然后,为去除缸内喷雾影响,单独研究缸内气流流动的规律,将可视化发动机运行在倒拖无燃油喷雾模式,用本征正交分解法定量分析了气流的循环变动特性。本征正交分解通常用于分析多循环同一曲轴转角时刻的流场集合,从而研究循环之间的变动。本研究开发新颖的固定相位本征正交分析法,实现同时定量研究气流变化规律及其循环变动特性的目的。该方法对高速粒子图像测速所测得的多循环多曲轴转角时刻的气流流场实施本征正交分解。因此,对所有时刻的流场获取了一组相同的基函数,可通过本征正交分解所得系数在不同曲轴转角时刻的变化,分析流场在发动机循环内的变化规律;同时,可分析系数在相同曲轴转角时刻、不同循环之间的分布以研究循环之间该时刻的变动特性。前三个基函数即可获取流场集合中80%以上的动能,通过对这三个基函数的分析,可定量、同时研究流场变化规律和循环变动特性。研究发现,缸内流场具有强烈的循环变动特征。 接着,在可视化发动机实际流场环境下,对燃油喷雾的循环变动特征进行分析。在实际发动机环境中,由于气流的影响,喷雾结构产生了强烈的循环变动特性。基于本征正交分解法,将缸内流场分为三种类型,这三种类型的流场会产生三种不同类型的喷雾结构。此外,相同的喷油器由于燃油温度及环境压力的变化,可产生完全不同类型的燃油喷雾。本课题组基于前期在定容容器中的研究,将直喷汽油机中的燃油喷雾归纳为三种类型:液体射流、闪沸喷雾及两者之间过渡状态。本文在前期工作基础上,首次系统分析了三种类型喷雾在发动机缸内的循环变动特征。结果显示,闪沸喷雾可有效降低燃油喷雾循环变动;过渡状态的喷雾具有最强的循环变动,其强度为闪沸喷雾的6.6倍。另外,对燃油喷雾在不同发动机转速下的喷雾结构变化及循环变动特征也做了深入量化分析。 至此,完成了对发动机点火前缸内过程的深入研究。最终,将可视化发动机运行在点火模式,对火核形成、火焰传播及其循环变动特性进行可视化研究。对缸内火焰进行可视化是研究发动机燃烧的有力工具,尤其是早期火焰阶段,基于缸压的分析无法提供有效信息。本文在可视化发动机中,对缸压和缸内火焰进行同步高频(9600Hz)多循环采集。通过分析火核面积、火核形成位置及早期火焰传播速度场的循环变动,阐释了早期火核形成阶段的循环变动特性。火核形成阶段循环之间微小的不同,会产生完全不同的后期火焰传播及缸压特性,最终导致发动机动力输出及排放特性的循环变动。另外,基于缸压进行放热率分析,其结果与缸内火焰分析(火焰面积、早期火焰传播速度场本征正交分解结果)有很好相关性。低涡流(涡流比0.55)情况下,火核面积、火核位置及火焰传播速度具有强烈循环变动,带来后期燃烧的循环变动。将缸内涡流比提至5.68,火核形成位置循环变动显著降低,火核形成时刻提前两个曲轴转角,初期火焰传播速度提高一倍且循环变动强度减半,最终带来IMEP和峰值压力循环变动减半。


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