基于CFD的四冲程缸内直喷发动机直喷燃烧系统优化设计

摘要

缸内直喷技术的应用给汽车发动机的发展带来了新的面貌。与化油器式或进气道喷射相比，缸内直喷技术具有很多优点,比如：冷起动容易，抗爆性较强，燃油经济性好，负荷响应快。
　　在内燃机燃料中，煤油的闪点较高，故煤油的使用更为安全也易于存储和运输。研究以煤油为燃料的点燃式内燃机对燃料使用安全，发动机体积、重量要求等特殊应用场合意义重大。国内外研究机构在研究点燃式煤油发动机燃烧技术时，除了需要解决挥发性与蒸发性较差的煤油燃料的雾化问题之外，还需要考虑缸内直喷燃烧系统中燃烧室与进气道的设计、火花塞与喷油嘴的相对布置以及喷油时刻的优化匹配。其中，燃烧室与进气道对气缸内可燃混合气的浓度分布影响甚大，从而严重影响点燃式煤油发动机的冷起动性能以及大负荷工况的爆震极限功率。
　　本文以某款两气门楔形燃烧室为结构特征的水平対置四缸汽油机为研究对象，采用空心锥喷雾模型和低压空气辅助喷射模型进行混合气形成过程模拟。首先对CFD中的动网格技术进行了相关研究，保证发动机气门和活塞运动时的网格质量。其次是喷油器与燃烧室耦合时网格划分的分析。最后，对影响燃油液滴在缸内蒸发的因素进行了分析，为进一步的喷雾模拟做准备。
　　针对所模拟的四冲程发动机，本文对其原型机进行缸内流场和喷雾模型分析和评价，特别是冷起动工况。结果显示，发动机转速和喷油时刻对混合气的组成影响较大。根据原型机的计算结果，提出燃烧室、进气道、喷油器及火花塞位置布置的改进方案，并且对改进后的燃烧室系统进行CFD模拟和评价。研究表明，进气道曲率半径对混合气影响较小，而燃烧室形状、喷油器布置及喷油时刻对混合气的影响较大。
　　为了验证计算的正确性，本文研究了空气辅助喷油器与燃烧室的耦合计算，并与空气辅助喷油器定容弹喷雾实验的高速摄影拍摄到的油束形状进行比较。结果显示，采用空气辅助喷油器得到的喷雾模拟结果与实验结果相符。

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图、表目录

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外的研究现状

1.3本文的研究内容及意义

第二章 计算流体力学基本理论及应用

2.1计算流体力学基本理论概述

2.2计算流体动力学的特点

2.3 FLUENT控制方程

2.4离散相模型[32]

第三章 某型四冲程发动机燃烧室建模及流场仿真

3.1活塞发动机缸内流场特性及意义

3.2直喷发动机燃烧室的几何模型和网格模型建立

3.3计算模型和边界条件

3.4原型机缸内流场的计算及分析

3.5本章小结

第四章 原型机缸内直接喷射的模拟

4.1喷雾模型选择

4.2缸内液滴纯压缩研究与分析

4.3原型机在不同转速下喷雾模拟及优化

4.4本章小结

第五章 燃烧系统的优化设计

5.1直喷燃烧系统优化方案的确定

5.2进气道的改进及分析

5.3活塞的改进及分析

5.4本章小结

第六章 采用低压空气辅助喷油器进行喷雾模拟验证

6.1空气辅助喷油器和燃烧室耦合的初步研究

6.2加空气辅助喷油器后的模拟和验证

第七章 总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文