喷油策略的增压直喷汽油机超级爆震诱发机理研究
目 录
1 引言 1
1.1课题研究的背景和意义 1
1.2发动机燃烧系统的发展 2
1.3超级爆震的定义及特点 3
1.4影响超级爆震的因素 5
1.5抑制超级爆震的相关措施 8
2 仿真模型的建立 9
2.1喷油状态对燃烧的影响 10
2.2分析仿真结果讨论 13
结 论 18
致 谢 19
参 考 文 献 20
1 引言
随着环境问题和资源问题的日趋严峻，人们一直在探索如何减少空气污染，使车辆节能减排，发动机在不减少汽车动力性的情况下，增加燃油经济性。直到使用涡轮增加技术和汽油机缸内直喷的方法，发动机的改进算是得到了一次重大的发展。在涡轮增压和缸内直喷技术的应用下，发动机的体积得到了减小，质量得到轻化，节省了在汽车上的占有空间。但是，随之出现了一个严重的现象，我们称之为“超级爆震”[1]。
超级爆震是发生在发动机燃烧室内的一种新的非正常燃烧，根据发动机转速的不同，可以分为两种：高速超级爆震和低速超级爆震[2]。高速超级爆震会出现持续发生的现象，而低速超级爆震只是偶然出现并消失。影响这两种爆震发生的主要因素不完全相同，而且很少发生高速超级爆震。
1.1课题研究的背景和意义
对内燃机经济性和排放量的研究是汽车领域最为重要的部分，在几十年的发展过程中，如今的汽油机已经逐步走向成熟，它的排放污染已经得到了基本的控制。而提高汽油机燃油经济性的重要手段是稀燃[3]，这种技术在当今备受汽车界的关注和研究。现在所面临的问题只要有两个，一是如果混合气过于稀薄，就不容易点燃，容易导致缸内熄火，影响发动机的工作状态和汽车行车安全；二是稀薄的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
混合气不像高浓度混合气一样燃烧迅速，长时间的燃烧导致缸内循环效率降低，使得功率下降，燃油经济性降低，并且生成大量未燃烧的碳氢。当空燃比稀到一定极限后，发动机就不能再保持正常工作状态，此时的燃油经济性很不理想。针对这种状况，人们通过大量试验研究发现，如果采用分层混合气燃烧的方法，可以有效解决部分问题，使得汽油机能够着火稳定和快速燃烧。
汽油缸内直喷（Gasoline Direct Injection，GDI）技术引起了相关人员的重视，它可以快速燃烧分层稀薄混合气。很早就有过对GDI的工作方式的研究报道。在某些工况点，早期时的GDI发动机也有比较好的燃油经济性或排放特性的特点，但基于当时科学技术水平等条件的限制，制造的结构复杂，耗费较高，所以没有得到应用。而到了1990年之后，研究手段的提升和技术水平的提高，汽油机的又进一步得到研究。
探索研究增压直喷发动机是一重大任务，它的开发潜力不容忽视，在节能减排和提高动力两方面优势明显，优化GDI发动机有着巨大的经济效益。但如今一些开发难点和缺点困扰着GDI发动机。目前汽油机发展的主要方向认为就是GDI发动机。因为技术的原因和条件的限制，我国对汽油机缸内直喷燃烧技术的研究还不深入，还有很大的提升空间，所以需要不断加强在这方面的探索，这样才能与国际的步伐相适应。
1.2发动机燃烧系统的发展
在20世界20年代的时候，就有人发现了压燃式发动机的优点，同时以火花塞点火方式的发动机表现良好。设计者想把这两种优点结合起来[4]，设计一款新型的发动机，改进现有基础上发动机的不足，想要解决的问题就是：（1）在气缸压缩过程中，就能直接把燃料喷入气缸，在发动机工作状态下提供良好的压缩比。（2）火花塞点火的时刻精准有效，降低了对燃油性能的限制（3）想要改变发动机的功率大小，可以用调节供油量的方法，较少油气的损失，从而提高发动机的效率。这种混合型发动机的理论提出后，引起了极大的重视，在1940年的时候，这种发动机就被运用于航空[5]。
汽油缸内直喷的出现是在50年代，奔驰300SL发动机是最早运用汽油缸内直喷技术的汽车发动机[6]。由原来的基础上加以改进，在缸内增加一套喷射装置进行直接喷油，与空气形成均质的混合气。从此之后，科技人员不断改进发动机的工作，在20世纪中后期，出现许多形式的同一类型燃烧模式的汽油机，它们的共同特点就是，汽油喷射系统直接把汽油会喷在燃烧室壁面上，经过缸内强的的涡流作用，面壁油膜得到蒸发，混合气以分层的形式出现。然而这种燃烧系统缺陷很大，壁面传热导致很多热量流失，燃料不能充分燃耗，导致HC的排放量和烟度很大。而且发动机的工作状态只能处于稀燃条件下，比功率提升难度很大，导致动力性不足，严重影响发动机在汽车上的正常使用。
之后其他典型汽油缸内直喷和分层燃烧系统不断地被研究出来，比如在1974年，德士古TCCS燃烧系统被研究出来[7]；1978年出现了福特PROCO系统[8]。PROCO系统的喷嘴在中心正对燃烧室，油液喷雾在气缸中空，较大的空气涡流能使气体停留在燃烧室的中心，同时点火方式得到进一步改进，使用的是双火花塞点火，保证了点火燃烧的稳定性和可靠性。但是喷油器只能喷出2MPa的喷油压力，导致了喷雾的质量还比较差，混合气分层的结构得不到优化且控制困难，不能实现减小HC排放量大的这一问题。在TCCS 燃烧系统中，喷油器和火花塞的位置和燃烧室的距离非常近，当活塞达到压缩上止点前，油滴顺着气流从喷油器中喷出，位于汽流下方的火花塞在合适的时刻进行点火。由于TCCS系统喷出的雾气不能均匀分布在气缸内，喷雾质量不达标，燃烧后排放出的HC含量很高。因为是晚喷，所以输出功率也受到限制。其他一些GDI燃烧系统普遍存在诸多问题，比如不能灵活地改变控制策略，形成的喷雾质量较差，燃烧后排放污染严重。发动机动力性得不到提高，燃油经济性较低，所以并没有在之后的发动机中应用。
在1990年之后，研究手段得到发展，通过数值模拟技术的应用，使得人们更加了解缸内气流运动和混合气形成的方式。从GDI发动机的设计参数来看，一般的压缩比大致在9.7到12.7之间，一般来说，以滚流为主进气的GDI发动机具有商品化，也有部分采用的是涡流进气，在火花塞的进气侧或者中心位置，放置一个喷油器进行喷油工作，采用这样布置形式，一方面是为了能够进行分层稀薄燃烧，提高了燃油经济性，另一方面采用的是化学计量比均质混合气燃烧，目标是为了提高发动机动力性。
研究稀燃分层混合气的工作模式，GDI发动机采用的是分层稀薄燃烧，是为了提高汽油机的燃油经济性，当发动机的负荷不大时，喷油嘴喷油的时刻在活塞压缩行程的后期，因为气缸内部气流的作用，形成的稀薄混合气分层，燃油消耗率在此负荷下得到降低；当发动机的工作状态处于高负荷下，喷油嘴喷油的时刻就提前到进气行程时，此时喷出的油雾质量好，油液在气缸内的雾化和蒸发充分，发动机的各项机能良好。为了火花塞在燃烧过程中能够稳定点火并燃烧，使这种分层稀薄燃烧系统工作平稳，要求燃烧室的形状、气流运动状态和喷雾的各项参数都要达到精准，所以对发动机燃烧系统的设计要求是非常严格的。正是因为这些条件的限制，所以不利于分层稀薄燃烧系统发动机的大规模生产。
1）喷油压力
通过李元平等人的试验研究，把喷油压力控制在在7.5～15MPa之间，在压力大于10MPa的状态下，超级爆震不会出现明显的变化[12]，但如果喷油压力降至7.5MPa时，就大大提高了超级爆震的频率。喷油处于较低压力时，喷出的燃油不能很好的得到雾化，燃油蒸发受到影响，机油的稀释增强，混合物更能够燃烧。所以高压喷油不利于超级爆震发生。
1 引言 1
1.1课题研究的背景和意义 1
1.2发动机燃烧系统的发展 2
1.3超级爆震的定义及特点 3
1.4影响超级爆震的因素 5
1.5抑制超级爆震的相关措施 8
2 仿真模型的建立 9
2.1喷油状态对燃烧的影响 10
2.2分析仿真结果讨论 13
结 论 18
致 谢 19
参 考 文 献 20
1 引言
随着环境问题和资源问题的日趋严峻，人们一直在探索如何减少空气污染，使车辆节能减排，发动机在不减少汽车动力性的情况下，增加燃油经济性。直到使用涡轮增加技术和汽油机缸内直喷的方法，发动机的改进算是得到了一次重大的发展。在涡轮增压和缸内直喷技术的应用下，发动机的体积得到了减小，质量得到轻化，节省了在汽车上的占有空间。但是，随之出现了一个严重的现象，我们称之为“超级爆震”[1]。
超级爆震是发生在发动机燃烧室内的一种新的非正常燃烧，根据发动机转速的不同，可以分为两种：高速超级爆震和低速超级爆震[2]。高速超级爆震会出现持续发生的现象，而低速超级爆震只是偶然出现并消失。影响这两种爆震发生的主要因素不完全相同，而且很少发生高速超级爆震。
1.1课题研究的背景和意义
对内燃机经济性和排放量的研究是汽车领域最为重要的部分，在几十年的发展过程中，如今的汽油机已经逐步走向成熟，它的排放污染已经得到了基本的控制。而提高汽油机燃油经济性的重要手段是稀燃[3]，这种技术在当今备受汽车界的关注和研究。现在所面临的问题只要有两个，一是如果混合气过于稀薄，就不容易点燃，容易导致缸内熄火，影响发动机的工作状态和汽车行车安全；二是稀薄的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
混合气不像高浓度混合气一样燃烧迅速，长时间的燃烧导致缸内循环效率降低，使得功率下降，燃油经济性降低，并且生成大量未燃烧的碳氢。当空燃比稀到一定极限后，发动机就不能再保持正常工作状态，此时的燃油经济性很不理想。针对这种状况，人们通过大量试验研究发现，如果采用分层混合气燃烧的方法，可以有效解决部分问题，使得汽油机能够着火稳定和快速燃烧。
汽油缸内直喷（Gasoline Direct Injection，GDI）技术引起了相关人员的重视，它可以快速燃烧分层稀薄混合气。很早就有过对GDI的工作方式的研究报道。在某些工况点，早期时的GDI发动机也有比较好的燃油经济性或排放特性的特点，但基于当时科学技术水平等条件的限制，制造的结构复杂，耗费较高，所以没有得到应用。而到了1990年之后，研究手段的提升和技术水平的提高，汽油机的又进一步得到研究。
探索研究增压直喷发动机是一重大任务，它的开发潜力不容忽视，在节能减排和提高动力两方面优势明显，优化GDI发动机有着巨大的经济效益。但如今一些开发难点和缺点困扰着GDI发动机。目前汽油机发展的主要方向认为就是GDI发动机。因为技术的原因和条件的限制，我国对汽油机缸内直喷燃烧技术的研究还不深入，还有很大的提升空间，所以需要不断加强在这方面的探索，这样才能与国际的步伐相适应。
1.2发动机燃烧系统的发展
在20世界20年代的时候，就有人发现了压燃式发动机的优点，同时以火花塞点火方式的发动机表现良好。设计者想把这两种优点结合起来[4]，设计一款新型的发动机，改进现有基础上发动机的不足，想要解决的问题就是：（1）在气缸压缩过程中，就能直接把燃料喷入气缸，在发动机工作状态下提供良好的压缩比。（2）火花塞点火的时刻精准有效，降低了对燃油性能的限制（3）想要改变发动机的功率大小，可以用调节供油量的方法，较少油气的损失，从而提高发动机的效率。这种混合型发动机的理论提出后，引起了极大的重视，在1940年的时候，这种发动机就被运用于航空[5]。
汽油缸内直喷的出现是在50年代，奔驰300SL发动机是最早运用汽油缸内直喷技术的汽车发动机[6]。由原来的基础上加以改进，在缸内增加一套喷射装置进行直接喷油，与空气形成均质的混合气。从此之后，科技人员不断改进发动机的工作，在20世纪中后期，出现许多形式的同一类型燃烧模式的汽油机，它们的共同特点就是，汽油喷射系统直接把汽油会喷在燃烧室壁面上，经过缸内强的的涡流作用，面壁油膜得到蒸发，混合气以分层的形式出现。然而这种燃烧系统缺陷很大，壁面传热导致很多热量流失，燃料不能充分燃耗，导致HC的排放量和烟度很大。而且发动机的工作状态只能处于稀燃条件下，比功率提升难度很大，导致动力性不足，严重影响发动机在汽车上的正常使用。
之后其他典型汽油缸内直喷和分层燃烧系统不断地被研究出来，比如在1974年，德士古TCCS燃烧系统被研究出来[7]；1978年出现了福特PROCO系统[8]。PROCO系统的喷嘴在中心正对燃烧室，油液喷雾在气缸中空，较大的空气涡流能使气体停留在燃烧室的中心，同时点火方式得到进一步改进，使用的是双火花塞点火，保证了点火燃烧的稳定性和可靠性。但是喷油器只能喷出2MPa的喷油压力，导致了喷雾的质量还比较差，混合气分层的结构得不到优化且控制困难，不能实现减小HC排放量大的这一问题。在TCCS 燃烧系统中，喷油器和火花塞的位置和燃烧室的距离非常近，当活塞达到压缩上止点前，油滴顺着气流从喷油器中喷出，位于汽流下方的火花塞在合适的时刻进行点火。由于TCCS系统喷出的雾气不能均匀分布在气缸内，喷雾质量不达标，燃烧后排放出的HC含量很高。因为是晚喷，所以输出功率也受到限制。其他一些GDI燃烧系统普遍存在诸多问题，比如不能灵活地改变控制策略，形成的喷雾质量较差，燃烧后排放污染严重。发动机动力性得不到提高，燃油经济性较低，所以并没有在之后的发动机中应用。
在1990年之后，研究手段得到发展，通过数值模拟技术的应用，使得人们更加了解缸内气流运动和混合气形成的方式。从GDI发动机的设计参数来看，一般的压缩比大致在9.7到12.7之间，一般来说，以滚流为主进气的GDI发动机具有商品化，也有部分采用的是涡流进气，在火花塞的进气侧或者中心位置，放置一个喷油器进行喷油工作，采用这样布置形式，一方面是为了能够进行分层稀薄燃烧，提高了燃油经济性，另一方面采用的是化学计量比均质混合气燃烧，目标是为了提高发动机动力性。
研究稀燃分层混合气的工作模式，GDI发动机采用的是分层稀薄燃烧，是为了提高汽油机的燃油经济性，当发动机的负荷不大时，喷油嘴喷油的时刻在活塞压缩行程的后期，因为气缸内部气流的作用，形成的稀薄混合气分层，燃油消耗率在此负荷下得到降低；当发动机的工作状态处于高负荷下，喷油嘴喷油的时刻就提前到进气行程时，此时喷出的油雾质量好，油液在气缸内的雾化和蒸发充分，发动机的各项机能良好。为了火花塞在燃烧过程中能够稳定点火并燃烧，使这种分层稀薄燃烧系统工作平稳，要求燃烧室的形状、气流运动状态和喷雾的各项参数都要达到精准，所以对发动机燃烧系统的设计要求是非常严格的。正是因为这些条件的限制，所以不利于分层稀薄燃烧系统发动机的大规模生产。
1）喷油压力
通过李元平等人的试验研究，把喷油压力控制在在7.5～15MPa之间，在压力大于10MPa的状态下，超级爆震不会出现明显的变化[12]，但如果喷油压力降至7.5MPa时，就大大提高了超级爆震的频率。喷油处于较低压力时，喷出的燃油不能很好的得到雾化，燃油蒸发受到影响，机油的稀释增强，混合物更能够燃烧。所以高压喷油不利于超级爆震发生。
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