提高四气门汽油机缸内滚流强度的研究

在四气门汽油机中，运用滚流运动组织快速燃烧过程或混合气分层稀燃过程，都需要提高滚流强度。作者在一台单缸四气门汽油机上，通过 Ｌ Ｄ Ａ 测量，研究了滚流的形成过程，提出了提高滚流强度的机理，并对进气道结构、燃烧室内进气门出口侧壁屏蔽对滚流运动强度的影响进行了初步研究。研究结果表明，在滚流形成过程中，缸内首先出现双涡旋结构，以后演变成为单涡旋结构的滚流运动。增加流经排气门侧的进气气流或抑制直接沿进气门侧缸壁流入气缸的气流，都能提高滚流强度。

大气道压差对气体滚流强度的影响

在自行研制的气道稳流试验台上研究了发动机气道内大气道压差对气体滚流强度的影响。试验表明,气门升程和气道压差小时,难以形成充分发展的湍流,无量纲滚流强度呈上升趋势,并且波动较大;充分发展时,可压缩气体的滚流强度恒定不变,不可压缩气体的滚流强度比真实值偏大,误差大小只与压力比有关,并随着压力比的增大而增大。

滚流强度对可变气门升程汽油机燃油经济性影响研究

在一台增压直喷汽油机上开展了可变气门升程(VVL)的燃油经济性试验研究,对比不同进气升程的燃烧特性及换气过程等相关参数发现低升程方案由于米勒效应在改善泵气损失及摩擦损失方面有较明显的优势,但是燃烧速率的恶化限制了其最终燃油消耗率的改善效果。针对可变气门升程中低升程方案燃烧恶化问题进行了提高进气滚流强度对比分析,结果表明提高进气道平均滚流比能显著提升其燃油经济性。1 500 r/min平均有效压力(BMEP)0.2~1.1 MPa工况下,比油耗降幅在1.8%~4.7%之间。主要原因是低升程方案下泵气损失与燃烧速率之间存在权衡关系,而进气滚流强度的增大能够提升燃烧速率,进而突出低升程方案在降低泵气损失方面的优势,从而提高了可变气门升程方案的燃油经济性。

汽油机气缸内滚流比的预测

本文对汽油机缸内滚流强度的预测模型进行了讨论。根据对滚流进气系统的稳流试验和拖动工况下缸内流场的ＬＤＡ测量结果，提出如下观点：在进气过程的早期，由于活塞位置太靠上，其顶面与燃烧室其它壁面所形成的空间形状不适应滚流的运动路线而不能有效地生成滚流——尽管在稳流试验台上可测到相应的滚流转速或角动量流率。活塞的这一临界位置与压缩过程后期滚流开始畸变、破碎时的活塞位置相当。据此作者建立了缸内滚流比预测模型，并在稳流试验和拖动工况下缸内流动的ＬＤＡ测量的试验中得到验证。

汽油机缸内滚流测量方式研究

针对汽油机滚流测量方式,通过气道稳流试验结合数值模拟方法对不同滚流测量方式下缸内滚流的演化规律进行了研究。研究结果表明:采用直接测量方式对滚流进行测量时,缸内滚流强度会产生大幅度跃升,而间接测量方式则变化平缓,其根本原因是在一定的气门升程范围缸内滚流流场由相互平衡的两股气流,演变为统一的大尺度滚流。同时发现直接测量装置的出气口直径对跃升幅度有直接影响,小的出口直径加剧了缸内滚流强度的跃升;间接测量方式在气缸中心平面具有和直接测量方式相一致的流场结构,基于间接测量模拟缸套的整流作用,其测量得到的滚流强度变化平缓。

进气道结构对混动发动机滚流和燃烧影响

以某1.5L混合动力增压直喷汽油机为研究对象,利用稳态气道试验台架和三维仿真工具,研究了不同结构进气道对缸内稳态、瞬态滚流强度和燃烧性能的影响。研究中设计了4款不同滚流比进气道,对不同方案进行了稳态气道芯盒吹风试验,并将试验结果与三维仿真分析结果进行对比;利用三维仿真软件计算了不同进气时刻缸内瞬态滚流比、瞬态湍动能、缸内速度场、空燃比分布和火焰前锋面位置等。研究结果表明:更高的滚流比将改善缸内油气混合,提高点火时刻缸内平均湍动能,影响火焰传播速度,从而影响到缸内燃烧,进而影响汽油机的性能。

基于CFD数值模拟的柴油机性能研究

为研究燃烧室结构对柴油机性能的影响,利用CFD程序对不同缩口直径和深度的燃烧室内的气流特性、喷雾特性、燃烧特性以及排放特性进行数值模拟。结果表明,柴油机的性能与燃烧室的结构形状关系密切。缩口直径较小,燃烧室深度较深的燃烧室3能形成良好的气流特性,燃烧室内滚流强度保持较好,喷雾油粒的索特平均直径小,雾化效果较好,缸内平均温度和平均压力值较大,NO生成量最高,所以其排放特性仍需改善。研究结果为燃烧室的设计提供了依据,便于柴油机的各种性能均能达到良好的水平。

高雷诺数对无量纲参数的影响

研究了高雷诺数对气体滚流强度和流量系数的影响。试验表明,气门升程和气道压差小时,难以形成充分发展的湍流,随着气门升程的增大,无量纲滚流强度和流量系数呈上升趋势,并且波动较大;充分发展时,可压缩气体的滚流强度和流量系数恒定不变,不可压缩气体的滚流强度比真实值偏大,而流量系数比真实值偏小,误差大小只与压力比有关,并随着压力比的增大而增大。

发动机进气道CFD分析方法

车用发动机燃烧系统开发的实际设计过程中,进气道的设计通过对缸内气体流动的影响直接控制燃油和空气的混合从而影响缸内燃烧过程。在此研究了进气道CFD分析方法,通过AVL-FIRE软件,建立进气道三维几何模型,生成网格模型,并进行求解计算出在不同气门升程下的气道流量系数和涡流/滚流比,最终通过优化流量系数同时权衡涡流/滚流比,实现发动机快速稳定的燃烧。