可变气门驱动直喷汽油机缸内气流运动及燃油雾化混合的试验研究.docx

可变气门驱动直喷汽油机缸内气流运动及燃油雾化混合的试验研究.docx

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可变气门驱动直喷汽油机缸内气流运动及燃油雾化混合的试验研究

天津大学

硕士学位论文

可变气门驱动直喷汽油机缸内气流运动及燃油雾化混合的试验

研究

姓名：

张东明

申请学位级别：

硕士

专业：

动力机械及工程

指导教师：

王天友

20090501

中文摘要

为了使用三效催化转换器降低排放，目前量产的直喷汽油机主要采用当量比燃烧模式，此时汽油直喷系统仍采用节气门控制负荷，泵吸损失依然存在，所以与气道喷射汽油机相比，该种汽油直喷系统的燃油经济性并没有显著提高。

最近几年，可变气门驱动机构（ｗｒＡ）技术的发展，使得泵吸损失明显减小成为可能，如果将其应用于当量比燃烧的直喷汽油机上，既可消除泵吸损失，降低发动机燃油消耗率，同时又可发挥直喷汽油机动力性等其它优势。

由于机械式可变气门驱动机构的气门升程和正时是联动的，这必将使得发动机缸内流场明显不同，特别在低气门升程下，产生的高速气流对直喷汽油机的燃油雾化和混合产生直接影响。

设计改造了一光学汽油直喷发动机，试验中光学发动机由电机拖动，转速为９６０ｒ／ｍｉｎ，采用粒子图像测速（ＰⅣ）技术，使用最大升程分别为６．８ｍｍ、２．５ｍｍ、２．０ｍｍ和１．７ｍｍ的四种进气凸轮轴，研究了不同气门升程下缸内气体流动特性以及其对燃油雾化和混合的影响。

试验结果表明，直喷汽油机进气初期缸内呈现逆滚流，之后逆向滚流不能得以保持，缸内逐渐形成双涡结构；压缩冲程，进气门侧滚流不断受到挤压而衰减，速度场中可观测到一顺时针滚流形成的趋势。

随着气门升程降低缸内平均速度减小，四种气门升程下滚流比差异不大。

缸内涡流在进气冲程呈现出双涡流特征，并在压缩冲程演变为大尺度涡流。

随着气门升程降低，涡流运动逐渐加强，小气门升程下涡流比增大明显，压缩冲程末期气门升程为１．７ｍｍ时的涡流比是６．８ｍｍ时的３倍。

低通滤波分析发现湍流强度和湍动能随曲轴转角变化的趋势类似，都是在进气冲程随着曲轴转角增大而减小，在压缩冲程反而有逐渐增加的趋势。

滚流测量面上，最大气门升程为６．８ｍｍ时的湍动能和湍流强度随曲轴转角变化不明显。

气门升程为２．０ｉｉｌｌｎ时变化最为突出，湍流强度的最大差值为３．３ｍ／ｓ，湍动能最大差值为９ｍ２／ｓ２。

压缩冲程末期６．８ｍｍ升程的湍流强度和湍动能最大，分别为２．５ｍ／ｓ和３．１ｍ２／ｓ２，分别是１．７ｍｍ升程工况的１．７倍和３倍。

涡流测量面上，四种气门升程下，在进气冲程湍流强度和湍动能的变化趋势非常相似；压缩冲程，随着气门升程的降低湍流强度和湍动能都增大。

１．７ｍｍ升程的湍动能和湍流强度是６．８ｍｍ升程的２倍左右。

均匀混合直喷汽油机在进气冲程早期喷射燃油有更充裕的时间和空气混合，

高的喷油压力使液滴粒径更小，贯穿距更短，燃油雾化混合更为彻底。

燃油液滴和空气混合过程中的相互影响使缸内形成了正向大尺度滚流运动，增大了燃油和空气的接触面积；随着最大气门升程的降低，燃油雾化混合更为充分和迅速。

分析其成因，主要是由于单一方向滚流的形成和小气门升程下强的涡流运动和湍流强度使燃油雾化混合更加彻底。

关键词：

直喷汽油机，ＰＩＶ，气流运动特性，燃油雾化及混合，可变气门升程

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｕｓｅＴｈｒｅｅ—ＷａｙＣａｔａｌｙｓｔｔｏｍｅｅｔｔｈｅｔｈｅｓｔｒｉｎｇｅｎｔｅｍｉｓｓｉｏｎ

ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ，ａｔｐｒｅｓｅｎｔｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｄｉｒｅｃｔ－ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ

ｇａｓｏｌｉｎｅｅｎｇｉｎｅｉｓｍａｉｎｌｙＨｍ—ＤＩＳＩｅｎｇｉｎｅｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍａｉｎｔａｉｎｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅｒａｔｉｏｏｆｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，ｔｈｅｔｈｒｏｔｔｌｅｉｓｓｔｉｌｌｂｅｉｎｇａｄｏｐｔｅｄ，ｐｕｍｐｉｎｇｌｏｓｓｉｓｓｔｉｌｌｉｎｆｏｒｃｅ．ＣｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈＰＦＩｅｎｇｉｎｅ，ｔｈｅｆｕｅｌｅｃｏｎｏｍｙｏｆｒｉｍＤＩＳＩｅｎｇｉｎｅｈａｓｎｏｔｉｍｐｒｏｖｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ．

Ｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｖａｒｉａｂｌｅｖａｌｖｅ

Ａｃｔｕａｔｉｏｎ（ＷＡ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｎｒｅｄｕｃｅｔｈｅｐｕｍｐｉｎｇｌｏｓｓ．ＩｆｉｎｓｔａｌｌＶＶＡｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ｏｎＨｍ－ＤＩＳＩｅｎｇｉｎｅ，ｎｏｔｏｎｌｙｔｈｅｐｕｍｐｉｎｇｌｏｓｓｃａｌｌｂｅｅｌｉｍｉｎａｔｅｄａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｃａｎｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｂｕｔａｌｓｏ

ｔｈｅｏｔｈｅｒａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｄｉｒｅｃｔｉｎｊｅｃｔｉｏｎｇａｓｏｌｉｎｅｅｎｇｉｎｅｃａｌｌｂｅｐｒｅｓｅｒｖｅｄ．ＢｕｔＷＡ

Ｃａｎｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅｉｎ—ｃｙｌｉｎｄｅｒｆｌｏｗａｎｄｏｉｌａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙａｔｌｏｗｖａｌｖｅｌｉｆｔ．Ｄｅｓｉｇｎｅｄａｏｐｔｉｃａｌｇａｓｏｌｉｎｅｄｉｒｅｃｔｉｎｊｅｃｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅ．Ｔｈｅｅｎｇｉｎｅｉｓｄｒａｇｇｅｄｂｙ

ａｍｏｔｏｒ，ｓｐｅｅｄｏｆ９６０ｒ／ｍｉｎ．Ｆｕｏｒｉｎｔａｋｅｃａｍｓｈａｆｔ

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１ｉＲ．Ｓｔｕｄｙｓｈｏｗｓｔｈａｔｄｕｒｉｎｇｔｈｅ

ｉｎｔａｋｅｓｔｒｏｋｅ，ｉｎ－ｃｙｌｉｎｄｅｒｆｏｒｍｅｄａｒｅｖｅｒｓｅｔｕｍｂｌｅａｔｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｉｎｔａｋｅ．Ｔｈｅｎｔｈｅｓｅｔｗｏｐａｒｔｓｏｆｆｌｏｗｇｅｎｅｒａｔｅｔｗｏｖｏｒｔｉｃｅｓｉｎｃｙｌｉｎｄｅｒ．Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｔｒｏｋｅ，ｔｈｅｔｕｍｂｌｅｏｆｉｎｔａｋｅｖａｌｖｅｓｉｄｅｉｓｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄｂｙｐｉｓｔｏｎ．Ｔｈｅｎｉｔｗｉｌｌｄｉｓａｐｐｅａｒｇｒａｄｕａｌｌｙ．ＶｅｌｏｃｉｔｙｆｉｅｌｄＣａｎ

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ｉｓｓｍａｌｌａｓｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｖａｌｖｅｌｉｆｔｄｅｃｒｅａｓｅｓ．Ｉｎｔｈｅｉｎｔａｋｅｓｔｒｏｋｅｓｈｏｗｉｎｇｄｏｕｂｌｅ—ｖｏｒｔｅｘｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｅｎｉｔｗｉＵｂｅｃｏｍｅａｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅｖｏｒｔｅｘｉｎｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｔｒｏｋｅ．Ｗｉｔｈｔｈｅｌｏｗｅｒｖａｌｖｅｌｉｆｔ，ｖｏｒｔｅｘｍｏｖｅｍｅｎｔｇｒａｄｕａｌｌｙｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ，ａｎｄｕｎｄｅｒｔｈｅｓｍａｌｌｖａｌｖｅｌｉｆｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｈｅｓｗｉｒｌｒａｔｉｏ．Ｔｈｅｅｎｄｏｆｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｔｒｏｋｅ１．７ｍｍｖａｌｖｅｌｉｆｔｓｗｉｒｌｒａｔｉｏｉｓ３ｔｉｍｅｓｏｆ６．８ｍｍｖａｌｖｅ１ｉｆｉ．

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ｌｉｆｔｈａｓｔｈｅｍｏｓｔｐｒｏｍｉｎｅｎｔ

ｃｈａｎｇｅ，ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅ３．３ｍ／ｓ，ｔｕｒｂｕｌｅｎｔｋｉｎｅｔｉｃｅｎｅｒｇｙａｓｔｈｅｍａｘｉｍｕｍ

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ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｔｒｏｋｅ，ｗｉｔｈｔｈｅｖａｌｖｅｌｉｆｔｏｆｔｈｅｌｏｗｅｒｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｎｄｔｕｒｂｕｌｅｎｔｋｉｎｅｔｉｃｅｎｅｒｇｙａｒｅｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｔｈｅｔｕｒｂｕｌｅｎｔｋｉｎｅｔｉｃｅｎｅｒｇｙａｎｄｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆ１．７ｍｍｌｉｆｔｉｓ６．８ｍｍｌｉｆｔａｂｏｕｔ２ｔｉｍｅｓ．

Ｈｍ—ＤＩＳＩｅｎｇｉｎｅｉｎｔｈｅｅａｄｙｉｎｔａｋｅｓｔｒｏｋｅｉｎｊｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ

ｆｕｅｌｗｉｌｌｈａｖｅｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｔｉｍｅａｎｄａｉｒｍｉｘｉｎｇ，ｈｉｇｈｉｎｊｅｃｔｉｏｎｐｒｅｓｓｕｒｅｍａｋｅｔｈｅｄｒｏｐｌｅｔｓｉｚｅｓｍａｌｌｅｒ，ｍｏｒｅ

ｓｈｏｒｔ—ｄｉｓｔａｎｃｅｃｒｏｓｓ—ｃｕｔｔｉｎｇ，ｍｏｒｅｔｈｏｒｏｕｇｈｍｉｘｉｎｇｏｆｆｕｅｌａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｆｕｅｌａｎｄａｉｒ

ｍｉｘｔｕｒｅｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｍｕｔｕａｌｉｎｆｌｕｅｎｃｅｉｎｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓｔｒｏｋｅｃｙｌｉｎｄｅｒｍａｋｅ

ａｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅｔｕｍｂｌｅｆｏｒｗａｒｄｍｏｖｅｍｅｎｔｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｆｕｅｌａｎｄａｉｒｉｎｃｏｎｔａｃｔａｒｅａ；ｗｉｔｈｔｈｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｌｉｆｔ－ｖａｌｖｅ，ｆｕｅｌａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｒｅｆｕｌｌｙａｎｄｒａｐｉｄｌｙｍｉｘｅｄ．Ｂｅｃａｕｓｅａｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅｔｕｍｂｌｅ

ｆｏｒｍｅｄ；ａｎｄｕｎｄｅｒｓｍａｌｌｖａｌｖｅｌｉｆｔ，ｔｈｅｓｔｒｏｎｇｖｏｒｔｅｘｍｏｖｅｍｅｎｔ

ａｎｄｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙｅｎａｂｌｅｍｏｒｅｔｈｏｒｏｕｇｈｍｉｘｉｎｇｏｆｆｕｅｌａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ．ＫＥＹＷＯＲＤＳ：

ＤｉｒｅｃｔＩｎｊｅｃｔｉｏｎ

Ｇａｓｏｌｉｎｅ，ＰＩＶ，ＡｉｒＦｌｏｗＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，ＦｕｅｌＡｔｏｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄｍｉｘｔｕｒｅ，Ｖａｒｉａｂｌｅｖａｌｖｅｌｉｆｔ

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名：

跟乐Ｂ冈签字日期：

ｐ听年ｆ月了日

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学位论文作者签名：

歃东胡

导师签名：

乏天页签字日期：

Ｍ吖年／月了日签字目期：

ｗ呷年么月７日

第一章绪论

１．１引言

第一章绪论

２００８年，据我国海关统计，全年进口原油１７８８８万吨，增长９．６％。

全年进口成品油３８８５万吨，同比增加５０６万吨。

据行业统计，原油消费对外依存度４７．９％，比上年提高１．３个百分点。

全年石油消费对外依存度达到４９．８％，比上年提高１．４个百分点，这种形势以对我国的能源安全造成了较大的威胁，而其中汽车发动机是主要的是石油资源消耗者。

同时在我国大中型城市，汽车尾气排放已成为主要的大气污染源。

有资料表明，上海市的汽车总量只相当于日本东京的１／１２，但空气中主要由汽车排放的ＣＯ、ＨＣ和ＮＯｘ的总量却基本相同。

目前我国在用汽车保有量为６０００多万辆，然而随着经济的迅速发展和社会需要的增加，在今后１０～１５年内，中国汽车保有量将以年均９％的速度增长【ｌ捌。

由此可见，当前车用动力的发展正面临着进一步降低污染气体排放、缓解石油危机的严峻挑战，因此展开高效清洁内燃机燃烧技术的相关研究是具有十分重要意义，对我国的经济建设和科学的可持续性发展也具有十分重要意义。

虽然柴油机与汽油机相比，在节能、经济、环保等方面都具优势，但是由于我国柴油资源十分紧缺，以及环保方面对微小颗粒的限制和柴油轿车的高成本，使得我国一直以汽油机作为轿车和轻型车的主要动力源。

由于汽油机燃烧依靠点燃和火焰传播，混合气的空燃比必须控制在一定的范围，需要限制压缩比，而且在低负荷工况不得不进行节流降低进气压力，造成泵气损失，也使混合气的比热比较低，影响热效率，因此尽管汽油机的机械摩擦损失比柴油机小，油耗仍比柴油机平均高２０—３０％。

所以，从汽油车的保有量和油耗水平来考虑，汽油车的节能潜力是极大的。

提高汽油机部分负荷热效率可通过不同途径。

首先，提高进气压力降低泵气损失，包括采用可变气门定时和可变升程机构、均匀混合直喷与可变气门定时结合、废气再循环、稀燃、分层燃烧缸内直喷、等技术。

其中“软喷射”或称为“喷雾引导”型分层燃烧缸内直喷汽油机是公认能提高汽车在规定运行工况的平均燃油效率近１５％．２５％，是世界上公认的提高汽油机经济性的最有效的手段之一。

但这种分层稀燃ＧＤＩ汽油机存在很多缺陷：

由于稀薄燃烧而不能采用技术十分

第一章绪论

成熟的三效催化转换器，而专用的稀燃催化剂在还原过程中要消耗燃油，而且对汽油含硫量要求极为严格；燃烧组织困难，还要配备滚流进气道，燃烧室形状复杂，设计难度大；喷油器容易结垢积碳；由于当前的直喷汽油机大多采用壁面阻挡的形式组织进气，容易形成壁面油膜和淬熄效应，并使碳氢排放恶化，而且这种燃烧系统颗粒和碳烟排放也比较高［３４１。

采用直喷均匀混合燃烧可以避免分层稀燃的这些缺陷，首先，由于采用当量空燃比的混合气和三效催化器，排气中的氮氧化物处理问题可以得到妥善解决，不再需要超低硫汽油；其次采用均匀混合气可以避免缸内形成过浓或过稀的混合气区，不仅避免了在过浓混合气区生成碳烟，也降低了因火焰不能传播到过稀混合气区而造成的碳氢排放；同时燃烧控制相对分层稀燃直喷汽油机要简单。

尽管均匀混合直喷汽油机有许多优势，与分层稀燃直喷汽油机相比，均匀混合直喷汽油机不能在部分负荷工况下通过提高空燃比来减少泵气损失和提高混合气的比热比，因此部分负荷工况热效率远低于分层稀燃直喷汽油机，其整体平均燃油热效率提高约３％．４％，经济性改善有限。

近年来，可变气门驱动机构逐渐发展为一项成熟技术。

该系统在显著改善发动机的燃油经济性和减少排放方面具有很大的潜力。

通过改变进气气门升程和定时调节进气量，可有效的降低与进气节气门有关的泵气损失。

可变气门正时（ＶｖＴ）是现代汽油机的常用技术。

它能提高低转速扭矩约５％减少中小型汽车燃油消耗３％。

凸轮型线切换（ＣＰＳ）方法通过选择低升程和高升程凸轮型线来改变发动机部分负荷时的燃油经济性和高负荷时的动力。

近年来，在美国、欧洲和日本新开发的汽油机中９０％以上都采用了ＶｖＴ和ＶｖＩＪ技术，此项技术已经在气道喷射汽油机上得到广泛应用。

但是气道喷射汽油机在部分负荷工况的汽油混合主要是依靠高温燃气高速回流进气道来冲击进气道壁面上的油膜和或油池，由于可变气门技术使得进气压力提搞而造成的燃气回流减少使汽油蒸发和油气混合恶化，碳氢排放增加燃烧效率降低，因此在气道喷射汽油机上可变气门驱动技术受到限制，不能充分发挥其优点。

实际上，把均匀混合直喷技术和可变气门驱动技术相结合将互补对方的缺点而保留自己的优点，成为一种优化的燃烧系统。

在这种汽油机中，可变气门驱动技术可有效的减少泵气损失，弥补均匀混合直喷技术的不足。

而由于汽油混合是依赖高压喷雾来实现的，所以提高进气压力对燃油混合和蒸发没有影响。

在整个车辆运行工况的平均油耗与分层稀燃直喷汽油机的水平十分接近。

第一章绪论

１．２直喷汽油机研究现状

直喷汽油机一直被认为是提高汽油机经济性和动力性的重要技术之一。

直喷发动机的优势就在于利用自主性极高的喷油系统，来创造出低速降低油耗、中速降低排放与高速增强动力性三者兼具的表现。

早在几十年前，作为燃油预混式汽油机技术的改进，研究者已经开始了对四冲程直喷点燃式（ＤＩＳＩ）发动机研究【６】。

绝大多数的ＤＩＳＩ系统都在部分负荷时采用充量分层稀燃来降低泵吸损失和较高的压缩比来提高热效率。

例女ＩＦｏｒｄ公司的ＰＲＯＣＯ（ｐｍｇｍｍｍｅｄｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）的低压喷射系统，其喷射压力大约２０ｂａｒ［７。

９】以及采用与柴油机类似的高压喷油的ＴＣＣＳ（Ｔｅｘａｃｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ）系统［ｍ＇１１１。

但是以上两种系统在部分负荷时都有较高的ＨＣ和ＮＯｘ排放，并且发动机的输出功率受到碳烟排放的限制。

但是近年来随着高压喷射技术和电子控制技术的高速发展，使得发动机界对ＧＤＩ发动机重新产生了兴趣。

揭起相关热潮的是ＭｉｔｓｕｂｉｓｈｉＭｏｔｏｒｓ公司在１９９６年以代号４Ｇ９３的直列四缸发动机，建造了ＧＤＩ（Ｇａｓｏｌｉｎｅｄｉｒｅｃｔｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）动力系统，并装置于Ｇａｌａｎｔ／Ｌｅｇｎｕｍ车系上，并销售到了欧洲［１３，１４］。

同时Ｔｏｙｏｔａ和Ｎｉｓｓａｎ也相应的开发了分层稀燃ＤＩＳＩ发动机【ｌ孓１６１。

近两年Ｍｅｒｃｅｄｅｓ的ＣＧＩ与Ｍａｚｄａ的ＤＩＳＩ系统先后问世，美国的通用公司和意大利的ＡｌｆａＲｏｍｅｏ公司也有相关新产品的问世。

当前在中国市场上搭载了Ｖｏｌｋｓｗａｇｅｎ／Ａｕｄｉ集团ＴＳＩ发动机的ＭＡＧＯＴＡＮ轿车，已经打开了国内直喷汽油机轿车市场。

按充量分层模式的不同可分为喷雾引导型、壁面引导型和气流引导型三种方式，如图１－１所示。

唼

（ａ）喷雾引导型（ｂ）壁而引导型（ｃ）气流引导犁

图１－１分层燃烧系统分类

Ｆｏｒｄ公司的两种系统都将喷油器布置在燃烧室顶端，而Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ、Ｔｏｙｏｔａ和Ｎｉｓｓａｎ都将喷油器布置于进气道下侧。

虽然Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ公司的ＧＤＩ发动机充

第一章绪论

分利用逆滚流运动促使混合气向火花塞附近运动［１３Ａ４】，Ｔｏｙｏｔａ公司的Ｄ４发动机利用强涡流来促进燃油雾化过程，但是燃油是通过气缸壁和活塞的引导作用来改变运动方向的，所以它们都属于壁面引导型分层燃烧系统。

虽然壁面引导型分层燃烧系统易于实现充量分层稀燃，但是其本身具有很大的缺陷：

首先中高负荷时，不能采用分层稀燃模式，因为随着负荷的增加其不能提前喷油，否则活塞位置过低，活塞顶不得壁面不能完全阻断喷雾，使得部分油束与缸套相撞，并进入罅隙，这样不但会造成较高的未燃Ｓｏｏｔ排放，也会冲淡缸套表面的润滑油，是摩擦增加甚至造成拉缸，所以当前的ＤＩＳＩ系统在中高负荷时都采用均质混合当量比燃烧，结果使得泵吸损失不能有效的去除。

其次该系统存在着严重的壁湿现象，使得未燃ＨＣ、ＣＯ和碳烟的排放明显增加。

同时随着发动机转速的提高，燃油雾化时间缩短，分层燃烧的效率降低使得碳烟和ＣＯ和油耗都增加，并且由于适宜的混合和混合过程更加困难，降低了燃烧的稳定性。

所以发动机只能限制在３０００转左右【ｌ６Ｊ。

ＪｉａｌｉｎＹａｎｇ，ＲｕｂｅｎＨ．Ｍｕｎｏｚ等人在一台０．３１Ｌ排量的单缸机上对比了气流引导型（ＡＦＩ）和喷雾引导型（ＬＦＩ）分层燃烧发动机的性能和排放。

经研究发现ＡＦＩ模式下油耗要比ＬＦＩ高出４％．５％，但ＮＯｘ和ＣＯ排放几乎是ＬＦＩ模式下的一半，Ｓｏｏｔ排放几乎为零，只有未燃ＨＣ略高于ＦＬＩ模式。

并且试验证明了可变气门正时（ＶＶＴ）系统应用于分层稀燃直喷汽油机取得的效果要远差与ＰＦＩ发动机所取得的效果【２０】。

Ａ．Ｒａｎｉｎｉ等人将涡轮增压器配备与分层直喷汽油机上，研究发现进气增压能明显提高发动机输出扭矩，对发动机小型化，从而降低油耗有明显的效剁１『丌。

Ｐｏｎｔｏｐｐｉｄａｎ等人有三位ＣＦＤ工具研究了可变气门正时控制混合气的形成过程【ｌ引。

Ｎａｕｗｅｒｃｋ等人研究了在非常高的喷油压力下，周围温度和背压对油束形状，液滴速度和直径的影响，研究发现开始时周围温度越高雾化速度愉快，喷油开始时由于摩擦力的影响，高背压下喷雾锥角和贯穿距都相应减小，但在喷油末期，由于燃油惯性的作用，其喷雾锥角和贯穿距都会维持在一固定值。

但随着喷油压力的增加，喷油量也随之增加【ｌ９Ｊ。

国内也在近些年开展了直喷汽油机的研究，先后有清华大学、天津大学、西安交通大学和上海交通大学开展了对直喷汽油机替代燃料和均质压燃方面的研究［２１－２５】。

无论是国外大型汽车公司还是国内高校、研究所，众多研究都倾向于分层稀燃和均质压燃直喷汽油机方面，而在均匀混合直喷汽油机上的研究十分罕见。

１．３可变气门驱动技术研究现状

可变气门驱动（ＶａｒｉａｂｌｅＶａｌｖｅＡｃｔｕａｔｉｏｎ，Ⅵ从）在汽车界被认为是发展下一

第一章绪论

代发动机最为有效的技术之一，必将对汽油机发展产生重要影响［１１－１３】。

到目前为止，ＷＡ的应用基本是以通过应用可变气门定时（ＶａｒｉａｂｌｅＶａｌｖｅＴｉｍｉｎｇ，ＶｖＴ）提高发动机低速扭矩、高速功率或者改善排放为主要目的，对发动机的热效率提高能力有限。

如日本本田公司开发的ＶＴＥＣｔ９１、丰田公司的ＷＴｉ【１４Ｊ以及Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ公司的ＭＩＶＥＣ［１５】等。

此外德国奥迪、美国福特以及日本Ｎｉｓｓａｎ等也相继推出具有可变配气相位的轿车【ｌ６】。

为了同时最大程度地提高汽油机的动力性、经济性和降低排放，全可变气门驱动或无凸轮驱动（包括可变气门升程、定时）装置将是今后汽油机技术最有前途的发展方向。

如英国Ｌｏｔｕｓ公司的ＡＶＴ系统、Ｂｏｓｃｈ／ＡＶＬ公司正在联合开发无凸轮电液系统，美国Ｆｏｒｄ、Ｓｔｕｒｍａｎ等公司开发的无凸轮电液系统【１７－１８］以及ＦＥＶ公司、Ｈｏｎｄａ、ＢＭＷ、美国Ｖｉｓｔｅｏｎ等公司正在研制的电磁控制的无凸轮系统【１９‘２０】。

另外还有一些机械式全可变气门驱动系统，包括ＢＭＷ的Ｖａｌｖｏｔｒｏｎｉｃｓ，德国的Ｍｅｔａ公司、美国的Ｄｅｌｐｈｉ、英国Ｍｅｃｈａｄｙｎｅ公司［２１－２３】。

这其中，真正做到可以把节气门去掉以可变气门驱动控制负荷，减小泵吸损失的是ＢＭＷ的Ｖａｌｖｅｔｒｏｎｉｃ无节气门发动机负荷管理系统（全可变气门驱动系统）。

该系统于２０００年应用于量产汽油机，２００４年又对其进行了全面改进，应用该系统部分负荷工况下可以使油耗降约１２％［２４］。

国内自８０年代末开始这一领域的研究工作，先后有清华大学、长春汽车研究所、上海交通大学和吉林大学开展了可变气门驱动机构的开发研究【２孓２７Ｊ。

近几年浙江大学及武汉理工大学也参与了该研究领域，进行机构的仿真计算【ｚ龇刿。

１．４内燃机缸内空气运动的作用

内燃机的燃烧是一种带有剧烈放热化学反应的流动现象，实际燃烧过程是一个包含流体流动、传热传质和化学反应以及它们之间相互作用的复杂的物理和化学过程。

内燃机的燃烧效率和污染物的生成均与气缸内气流运动的情况紧密相关，因此几十年来