缸内喷水对直喷汽油机爆震、燃烧和排放影响规律研究.pdf

中文摘要 摘 要 缸内直喷技术及涡轮增压技术相互协同的小型强化技术是提高汽油机燃油经 济性和降低排放最有效的方法之一。小型强化技术的使用增加了缸内的热负荷以 及使缸内压力大幅度提高，由此引起了爆震燃烧。爆震燃烧限制了小型强化技术 在实际中的应用和发展，是限制增压直喷汽油机性能提升的主要制约因素。笔者 采用数值模拟研究了缸内直接喷水技术减弱增压直喷汽油机爆震趋势，提高其燃 烧排放性能的可行性。本文首先通过增大点火提前角的方式诱导某型增压直喷汽 油机发生爆震燃烧从而确定末端混合气发生自燃的位置。然后探究了不同喷水时 刻在点火时刻前水雾滴在缸内的分布情况及对燃烧排放性能的影响。最后，对初 始设置的喷水参数进行了修正，在给定的喷水时刻下，探究了喷水量对增压直喷 汽油机爆震以及燃烧排放的影响。 为了使缸内直接喷水更好的抑制爆震，需要确定爆震发生的位置。对某型增 压直喷汽油机数值模型进行了实验验证，确保数值模型的准确性。在高速高负荷 工况下通过增大点火提前角的方式实现了对爆震的数值模拟并确定了爆震发生的 位置。结果表明：末端混合气自燃将会引起流场流速急剧增大，最大流速超过 150m/s；末端混合气自燃引起缸内爆震时，可以在气缸壁面附近区域观察到火焰 孤立出现；监控点压力变化最为剧烈的是1 号、4 号监控点区域，其中4 号监控点 压力峰值超过23MPa ，表明这两个区域是最易发生爆震的区域。 为了更好的降低爆震也需要确定水雾滴能够分布在爆震发生最剧烈的区域。 因此，笔者研究了喷水时刻在-120°CA～-20°CA 时水雾滴在缸内的分布情况及对 燃烧和排放性能影响。结果表明：-80°CA 喷水时刻缸内水雾滴分布最为均匀； 不同喷水时刻对燃料与空气的混合几乎无任何影响；喷水时刻为-80°CA 时，4 号 监控点区域压力变化最小，因此认为此喷水时刻具有降低爆震的潜力。 在喷水时刻为-80°CA 时，水雾滴的分布存在 “湿壁”现象，对初始设置的喷 水参数进行了修正。探究了0～25%喷水量在对降低爆震趋势以及燃烧和排放性能 的影响。结果表明：修正后水雾滴的分布更加均匀，对爆震的抑制效果更好；随 着喷水量的增加，水雾滴在缸内的分布区域逐渐增大，喷水量超过 20%时，水雾 滴基本分布在整个缸内区域；随着喷水量的增加，爆震强度逐渐降低，喷水量为 25% ，爆震强度降低到 0.286MPa ；对于循环做功而言，随着喷水量的增加，循环 做功量逐渐减小，喷水量为 10%时循环做功仍然高于实验工况45.14J,汽油机效率 提高了3.81% ；对排放分析则有：喷水量在5%-25%时，随着喷水量的增加，NOX 排放逐渐降低；未喷水时NOX 排放比5%喷水量略低，喷水量在5%-25%时，碳烟 I 重庆大学硕士学位论文 排放随着喷水量的增加而逐渐增大，喷水量为5%时碳烟排放低于未喷水碳烟排放， 未喷水时的CO 排放高于缸内直接喷水时的CO 排放，缸内直接喷水能够降低CO 排放。 关键词：爆震；缸内直接喷水；喷水时刻；喷水量；燃烧排放性能 II 英文摘要 ABSTRACT Supercharged downsizing technology, formed by the mutual coordination of in-cylinder direct injection technology and turbocharging technology, is the most effective ways to improve fuel economy and reduce emissions of gasoline engines. However, the use of this tech