點(diǎn)火室式直噴汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)及其噴霧特性研究.pdf

1、相對于進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)而言，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)具有燃油經(jīng)濟(jì)性好、響應(yīng)快、冷啟動容易、空燃比控制精確、EGR率大、排放低等優(yōu)點(diǎn)，將成為進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)的替代產(chǎn)品。而其點(diǎn)火可靠性和燃燒穩(wěn)定性的提高一直是研究的關(guān)鍵點(diǎn)。為此，作者提出了點(diǎn)火室式直噴(DISC: Direct-Injection Sub-Chamber)汽油機(jī)燃燒系統(tǒng)的概念，即：在缸蓋上設(shè)置一點(diǎn)火室，點(diǎn)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(jī)械式三次

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

3、點(diǎn)火室式直噴汽油機(jī)的原理樣機(jī)。在這臺樣機(jī)上，進(jìn)行了點(diǎn)火可靠性和怠速排放性能實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：經(jīng)過改裝后的發(fā)動機(jī)各部件工作正常，電控點(diǎn)火系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足燃燒系統(tǒng)初步驗(yàn)證試驗(yàn)的要求。發(fā)動機(jī)可以在空燃比48下穩(wěn)定運(yùn)行，并具有400r/min的超低怠速。經(jīng)過優(yōu)化的點(diǎn)火室式直噴汽油機(jī)具有低于國3標(biāo)準(zhǔn)的排放性能。 為了保證點(diǎn)火室內(nèi)混合氣的當(dāng)量比濃度，設(shè)計(jì)了機(jī)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(jì)算結(jié)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(diǎn)火室式直噴汽油機(jī)的要求。 三次噴射油嘴的噴霧噴入到點(diǎn)火室內(nèi)，是一個(gè)近距離多次碰撞的復(fù)雜過程。使用激光吸收散射法和CFD計(jì)算程序?qū)c(diǎn)火室內(nèi)的混合氣形成過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模擬研究，并對目前可獲得的噴霧/壁面作用模型進(jìn)行了評價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同的碰撞角度對噴霧在點(diǎn)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(shí)刻氣相質(zhì)量的絕對值影響不大。當(dāng)環(huán)境溫度和壓力較低時(shí)，噴霧的汽化速度非常低，會造成點(diǎn)火室內(nèi)火花塞的濕潤現(xiàn)象，因此噴霧不宜過早噴入點(diǎn)火室。點(diǎn)火室深度較小時(shí)可以縮短其內(nèi)部形成均勻混合氣的時(shí)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(jì)算結(jié)果有很大的差別，很難各個(gè)方面都與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。 由于對噴油時(shí)刻和霧化的要求，應(yīng)用于本燃燒系統(tǒng)的汽油多孔噴油嘴不能像柴油機(jī)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(jìn)行了測量，并將結(jié)果與作為基準(zhǔn)的單孔噴霧進(jìn)行了比較。與實(shí)驗(yàn)相配合，使用三維CFD計(jì)算程序AVLFIRE對單孔及雙孔噴霧進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：當(dāng)噴孔軸線夾角小于25°時(shí)，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(shí)補(bǔ)充到這個(gè)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(jié)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(yuǎn)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(yīng)