摩托車(chē)汽油機(jī)進(jìn)氣到附壁油膜研究.pdf

1、為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，摩托車(chē)汽油機(jī)采用電控燃油噴射技術(shù)已成為必然趨勢(shì)，又因摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)具有對(duì)電控系統(tǒng)成本比較敏感的特點(diǎn)，故選擇進(jìn)氣道噴射方式比較合理。雖然車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道噴射技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，但是考慮到摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)自身的特點(diǎn)，很難直接移植車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。采用進(jìn)氣道噴射時(shí)，對(duì)燃油霧化要求不高，燃油噴射壓力較低，幾乎全部的燃油都會(huì)到達(dá)進(jìn)氣閥背面或者進(jìn)氣道壁面形成附壁油膜，摩托車(chē)汽油機(jī)受發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊的限制，在進(jìn)氣道內(nèi)的附壁油膜分布面積較小、厚

2、度較大，轉(zhuǎn)速高使得附壁油膜揮發(fā)時(shí)間較短。因此，如何提高燃油的揮發(fā)速率、降低進(jìn)入氣缸的附壁油膜量，對(duì)摩托車(chē)汽油機(jī)噴油控制策略的制定、發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能的提高，都有著重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
　　 為此，針對(duì)進(jìn)氣道噴射式摩托車(chē)汽油機(jī)，采用臺(tái)架試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)進(jìn)氣道附壁油膜現(xiàn)象進(jìn)行了研究。主要工作如下：
　　 1.進(jìn)氣道附壁油膜進(jìn)入氣缸方式的研究。對(duì)進(jìn)氣道噴射式發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究的首要問(wèn)題是確定是否存在附壁油膜及附壁油膜以何種

3、方式進(jìn)入氣缸。通過(guò)比較分析測(cè)控系統(tǒng)在M/P模式下測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速變化、在N/P模式下測(cè)量缸內(nèi)峰值壓力及在N/P模式下測(cè)量空燃比值等幾種不同方法，指出在N/P模式下測(cè)量空燃比值法能夠較好的檢測(cè)有無(wú)附壁油膜堆積現(xiàn)象，并利用該方法確定所研究發(fā)動(dòng)機(jī)不存在附壁油膜堆積現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)影響燃油揮發(fā)速率主要因素的分析，提出利用改變發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫度的方法來(lái)驗(yàn)證附壁油膜循環(huán)剝落現(xiàn)象的存在，臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)固定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度及循環(huán)噴油量時(shí)，隨機(jī)體溫

4、度升高，空燃比值迅速減小、HC減小而NOx升高。分析認(rèn)為，在循環(huán)供油量保持不變的情況下，機(jī)體溫度升高出現(xiàn)混合氣變濃的現(xiàn)象，表明在機(jī)體溫度升高前存在未參與燃燒的燃油，即有液態(tài)形式燃油進(jìn)入氣缸，由于采用閉閥噴射不存在噴射燃油直接進(jìn)入氣缸的現(xiàn)象，且不存在油膜堆積，因此發(fā)動(dòng)機(jī)存在每循環(huán)都有附壁油膜以液態(tài)形式進(jìn)入氣缸的現(xiàn)象。同樣，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)采用閉閥噴射時(shí)，如果將噴油時(shí)刻推遲，則會(huì)使附壁油膜揮發(fā)時(shí)間變短，造成空燃比升高、HC排放增加而NOx排放減少，

5、此方法也可用作判別是否存在附壁油膜以液態(tài)形式進(jìn)入氣缸的現(xiàn)象。
　　 2.數(shù)值計(jì)算模型的建立與驗(yàn)證。由以上分析可知，所研究發(fā)動(dòng)機(jī)存在每循環(huán)都有附壁油膜以液態(tài)形式進(jìn)入的現(xiàn)象，而減少以液態(tài)形式進(jìn)入氣缸附壁油膜量的方法是加速燃油揮發(fā)。為對(duì)影響燃油揮發(fā)速率的因素進(jìn)行更詳細(xì)的分析，采用數(shù)值計(jì)算的方法進(jìn)行了研究。采用數(shù)值計(jì)算分析的前提是計(jì)算網(wǎng)格的建立，為此首先依據(jù)網(wǎng)格劃分的一般原則，建立了計(jì)算所需的網(wǎng)格模型，根據(jù)計(jì)算需要，通過(guò)對(duì)模型基本機(jī)理的

6、分析，分別選擇了霧化、蒸發(fā)及附壁油膜子模型；然后采用可視化實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)噴霧、碰壁、蒸發(fā)模型進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)紋影法、激光散射法與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比表明，模型預(yù)測(cè)的噴霧及碰壁過(guò)程與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合，對(duì)所研究問(wèn)題有較好的適應(yīng)性，同時(shí)模型所反映的噴霧隨進(jìn)氣流動(dòng)的變化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也比較吻合，表明所選用的模型可用于后續(xù)工作研究中。
　　 3.閉閥噴射時(shí)燃油揮發(fā)速率與其影響因素關(guān)系的研究。為提高燃油揮發(fā)速率，采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)閉閥噴射方式下

7、，不同機(jī)體溫度時(shí)燃油落點(diǎn)、噴射距離、噴油時(shí)刻及進(jìn)氣回流等因素對(duì)燃油揮發(fā)速率的影響進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：
　　 1)燃油揮發(fā)速率主要受機(jī)體溫度和進(jìn)氣氣流的影響，當(dāng)進(jìn)氣道溫度較低時(shí)，靠吸熱揮發(fā)的速率較慢，進(jìn)氣氣流對(duì)附壁油膜揮發(fā)的促進(jìn)作用比較明顯；當(dāng)機(jī)體溫度較低，燃油落點(diǎn)為進(jìn)氣閥背面上部與進(jìn)氣道交界處時(shí)附壁油膜揮發(fā)效果最好；噴射距離較長(zhǎng)時(shí)，由于部分附壁油膜分布到溫度較低的進(jìn)氣道壁上反而不利于附壁油膜的揮發(fā)；進(jìn)氣回流及噴油時(shí)刻提前都

8、有助于附壁油膜的揮發(fā)。
　　 2)當(dāng)機(jī)體溫度較低時(shí)，通過(guò)對(duì)燃油落點(diǎn)、噴射距離及噴油時(shí)刻等因素的調(diào)整可以提高燃油揮發(fā)速率，但是改善效果不明顯，仍然有較大量附壁油膜以液態(tài)形式進(jìn)入氣缸。
　　 3)當(dāng)機(jī)體溫度升高后，揮發(fā)速率明顯提高，進(jìn)入氣缸的液態(tài)附壁油膜量大幅減少；此時(shí)燃油落點(diǎn)處于進(jìn)氣閥背面高溫區(qū)域時(shí)附壁油膜揮發(fā)仍然有優(yōu)勢(shì)；進(jìn)氣回流依然能夠加速附壁油膜揮發(fā)；噴射距離較長(zhǎng)時(shí)，由于附壁油膜分布區(qū)域擴(kuò)大有助于附壁油膜揮發(fā)；噴油時(shí)刻

9、對(duì)附壁油膜揮發(fā)的影響變?nèi)酢?br>　　 4.開(kāi)閥噴射時(shí)燃油揮發(fā)速率與其影響因素關(guān)系的研究。為研究開(kāi)閥噴射模式下提高燃油揮發(fā)速率的方法，采用數(shù)值計(jì)算的方法研究了燃油落點(diǎn)、噴射距離、噴油時(shí)刻及進(jìn)氣回流等參數(shù)對(duì)進(jìn)氣道噴射式摩托車(chē)汽油機(jī)燃油揮發(fā)速率的影響，研究結(jié)果表明：
　　 1)開(kāi)閥噴射時(shí)，附壁油膜落點(diǎn)處于高速氣流區(qū)有助于提高燃油的揮發(fā)速率。綜合考慮燃油空間揮發(fā)量與附壁油膜揮發(fā)量，噴射距離過(guò)遠(yuǎn)不利于燃油揮發(fā)；進(jìn)氣回流對(duì)燃油揮發(fā)速率能

10、夠起到促進(jìn)作用；噴油時(shí)刻為進(jìn)氣閥剛開(kāi)啟時(shí)燃油揮發(fā)速率最大。
　　 2)當(dāng)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度變大時(shí)，進(jìn)氣流速的升高使得燃油總體揮發(fā)速率提高；燃油落點(diǎn)、噴射距離、進(jìn)氣回流及噴油時(shí)刻對(duì)燃油揮發(fā)速率的影響規(guī)律與小節(jié)氣門(mén)開(kāi)度時(shí)一致。
　　 3)開(kāi)閥噴射時(shí)，較高的機(jī)體溫度能夠大幅提高燃油揮發(fā)速率；機(jī)體溫度對(duì)燃油揮發(fā)速率的影響大于進(jìn)氣氣流的影響。
　　 4)與閉閥噴射相同，當(dāng)機(jī)體溫度較低時(shí)，通過(guò)對(duì)燃油落點(diǎn)、噴射距離及噴油時(shí)刻等因素的調(diào)

11、整可以提高燃油揮發(fā)速率，但是改善效果不明顯，仍然有較大量附壁油膜以液態(tài)形式進(jìn)入氣缸。
　　 5.兩次燃油噴射方式對(duì)燃油揮發(fā)速率的影響。根據(jù)單次噴射的分析可知閉閥噴射和開(kāi)閥噴射有各自的特點(diǎn)，為充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，將兩次燃油噴射技術(shù)進(jìn)行拓展，用以改善進(jìn)氣道噴射式摩托車(chē)汽油機(jī)燃油揮發(fā)速率。研究結(jié)果表明，將所需燃油分作兩次噴射時(shí)，閉閥時(shí)所噴射燃油形成的附壁油膜厚度減小，同時(shí)延長(zhǎng)了附壁油膜揮發(fā)時(shí)間，開(kāi)閥時(shí)所噴射的燃油增加燃油與空氣的相互作

12、用，從而增加附壁油膜分布面積，并且可以將一部分燃油直接帶人氣缸，從而提高燃油揮發(fā)速率。在怠速暖機(jī)工況下，通過(guò)膨脹沖程和進(jìn)氣沖程不同噴油比例的對(duì)比可知，當(dāng)膨脹沖程和進(jìn)氣沖程噴射燃油比例保持1:1時(shí)燃油揮發(fā)速率最大；對(duì)于高速大負(fù)荷工況，通過(guò)燃油噴射比例的調(diào)整可知，膨脹沖程占較大比例時(shí)更有利于減少附壁油膜的現(xiàn)象。分別在怠速工況和高速大負(fù)荷工況下，通過(guò)對(duì)單次噴油與兩次噴油的對(duì)比可知：怠速工況時(shí)，相對(duì)于單次噴射，兩次燃油噴射對(duì)燃油揮發(fā)速率的提高比

13、較明顯；高速大負(fù)荷工況時(shí)，由于此時(shí)機(jī)體溫度高、進(jìn)氣流速大，使得兩次噴油的優(yōu)勢(shì)變的不明顯。
　　 6.兩次燃油噴射方式的試驗(yàn)研究。計(jì)算分析表明當(dāng)機(jī)體溫度較低時(shí)，采用兩次燃油噴射方式能夠有效減少以液態(tài)形式進(jìn)入氣缸的附壁油膜量。為此利用臺(tái)架實(shí)驗(yàn)對(duì)兩次燃油噴射進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)處于小節(jié)氣門(mén)開(kāi)度時(shí)，推遲膨脹沖程噴油及進(jìn)氣沖程時(shí)刻，都會(huì)造成混合氣變稀、發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、HC排放升高的現(xiàn)象，膨脹沖程所噴射燃油所占噴油總量的比例較大時(shí)，

14、有利于改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能，與單次噴射相比，采用兩次燃油噴射技術(shù)能夠明顯增加混合氣濃度，改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能，這與計(jì)算分析結(jié)果一致。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高速大節(jié)氣門(mén)開(kāi)度時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫度較高，進(jìn)氣流動(dòng)較強(qiáng)，噴油時(shí)刻對(duì)混合氣濃度的影響不明顯，與單次噴射相比，采用兩次燃油噴射技術(shù)無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)，這與計(jì)算分析結(jié)果一致。與單次閉閥噴射相比，如果調(diào)整單次噴油時(shí)刻使噴射燃油能夠經(jīng)歷開(kāi)閥噴射和閉閥噴射兩種模式，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能也起到一定的改善作用；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫度升高時(shí)，兩