摘 要

如今，随着环境问题和能源问题的日益恶化，国家对于汽车排放的标准越来越严格，因此提高汽车发动机的经济性和节能减排成为了汽车行业至关重要的大事。

缸内直喷（GDI）汽油机的喷射策略包含多个方面，比如说喷油次数、喷油正时等。不同的喷油策略会在GDI汽油机缸内混合气的形成，缸内气体的流动，缸内油膜的形成等多个方面造成影响，从而会影响到缸内的燃烧情况和污染物的生成情况。

本文运用CONVERGE软件进行仿真，选取了几种不同的影响因素，包括喷油次数、单次喷油正时以及两次喷射第二次喷油正时 。并且从缸内压力、缸内温度、NOx生成量和碳烟生成量几个方面进行对比，来分析不同的喷油策略对燃烧和排放的影响。

关键词：喷油策略；排放；GDI汽油机；发动机燃烧和排放

Abstract

Nowadays, with the deterioration of environment and energy problems, the country's standards on vehicle emissions are becoming more and more strict. Therefore, improving the economy of automobile engines， saving energy and reducing emissions have become major issues in the automotive industry. The injection strategy on gasoline direct injection (GDI) engine includes several aspects, such as the number of injections and injection timing. Different fuel injection strategies affect the formation of the mixture in the GDI gasoline engine cylinder, the flow of gas in the cylinder, and the formation of oil film in the cylinder, which will affect the combustion situation and the generation of pollutants in the cylinder. In this paper, I use CONVERGE software to simulate and select several different influencing factors, including the number of injections, the single injection timing and the second injection timing. I analyze the effects of different fuel injection strategies on combustion and emissions from the aspects of cylinder pressure, cylinder temperature, NOx production and soot production.

Key Words: Fuel injection strategy; emissions; GDI gasoline engine; engine combustion and emissions

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 GDI汽油机的发展 1

1.3 GDI汽油机的特点 2

1.4 国内外研究现状 3

1.5 本文目标及内容 4

1.6 拟采用的技术方案及措施 4

第2章 仿真模型的建立 6

2.1 仿真参数设置 6

2.2 模型几何前处理 6

2.3 计算模型的选择 7

2.3.1 湍流模型 7

2.3.2 破碎模型 7

2.3.3 燃烧模型 8

2.3.4 排放模型 8

2.4 初始条件和边界条件的设定 9

2.5 本章小结 10

第3章 喷射策略对燃烧和排放性能的影响 11

3.1 单次喷射喷油正时的影响 11

3.1.1 单次喷射喷油正时对燃烧的影响 11

3.1.2 单次喷射喷油正时对排放的影响 12

3.2 喷油次数的影响 13

3.2.1 喷油次数对燃烧的影响 13

3.2.2 喷油次数对排放的影响 14

3.3 两次喷射中第二次喷油正时的影响 15

3.3.1 两次喷射中第二次喷油正时对燃烧的影响 15

3.3.2 两次喷射中第二次喷油正时对排放的影响 16

3.4 本章小结 17

第4章 全文总结及展望 19

4.1 全文总结 19

4.2 工作展望 19

参考文献 21

致谢 23

第1章 绪论

1.1 引言

汽车行业自诞生以来逐渐成为世界各国的支柱行业。汽车不仅仅可以作为平常百姓出门的代步工具，更是给国家提供了强有力的经济保障。长久以来，汽油机都是作为汽车的主要动力源，这不仅仅是因为汽油机的结构小，质量轻，便于在车辆上安装，更是由于相对于柴油机，汽油机有着更高的经济性。

随着科技的不停发展进步，汽车已经逐渐走近了每家每户，人们对汽车的渴望与购买力导致汽车逐渐达至饱和。过多的汽车保有量导致了一系列的环境问题和污染问题。此外，大多数汽车采用的都是不可再生的化石燃料。因此，整个汽车行业的蓬勃发展必将引起化石燃料的巨大消耗，大量的石油消耗则会增加我国对外进口石油的依赖度。所以，节能减排和提高汽车经济性已经成为推进汽车行业继续进步的关键。随着国家提出越来越严格的排放法规，有很多汽车厂家将眼光看向了新的领域。比如说新能源汽车，可是如今的汽车行业过于庞大，新能源汽车又存在着充电不便和电池容量不足等难以解决的问题，所以这条路仍不是解决汽车行业关键问题的最正确的道路。因此，GDI汽油机又逐渐回到了人们的视野中。

GDI汽油机在活塞下行过程中将汽油直接从喷油器喷入燃烧室，这点与传统进气道喷射（PFI）发动机完全不同。PFI发动机通常将空气与燃料先通入进气管，形成均匀混合气后再导入进气道，供入气缸。GDI汽油机相对于PFI发动机具备经济性更好，污染更低，及响应更快的特点。因此，各大汽车企业逐渐在加大对GDI汽油机的研究力度。

1.2 GDI汽油机的发展

传统发动机在进气冲程中，先将汽油与空气一起通入进气总管，并在进气总管中燃油雾化与空气混合，形成较均匀的混合气，分配给各进气歧管，然后混合气从进气门进入气缸。在活塞即将达到压缩上止点时火花塞点火，发动机开始做功。PFI发动机的喷油压力较小，燃油的蒸发颗粒较大，形成的混合气不够均匀。但是PFI发动机同样具备有混合气混合时间长，可以利用湍流促进混合的优点。

随着科技发展，GDI汽油机凭借着其更佳的油气混合，逐渐代替传统PFI发动机，成为发动机研究方向的主流。

第一代GDI发动机在二十世纪中叶被研发出来，并在21世纪初被推向市场。第一代GDI发动机的特点是通过稀薄燃烧来提高燃油经济性，但是该策略同时带来了不良后果。稀薄燃烧情况下，三效催化转化装置失效，导致NOx排放量升高。此外，这种情况下燃油碰壁现象严重，导致汽油蒸发量下降，影响了均匀混合气的形成。

人们想出了种种办法为了解决上述问题，因此在第一代GDI发动机的基础上进行了改进，研究了第二代GDI发动机。第二代GDI发动机以降低部分燃油经济性为代价，采用在化学计量空燃比条件下的混合气，以提高三效催化转化装置的效率，达到减排的目的。尽管经济性有所降低，但是相对于传统发动机，第二代GDI发动机仍然有更好的经济性。

传统的PFI汽油机喷油正时取决于空气何时被吸入发动机，无法更精确的控制喷油正时。而GDI汽油机可以通过缸内压力，缸内温度来控制喷油，从而达到在不同工况下合理喷油的目的。这样不仅提高发动机经济性动力性，并且达到了降低排放的要求。

1.3 GDI汽油机的特点

由于GDI汽油机的混合气在缸内形成，缸内的温度，压力等都会影响到混合气的形成，故而GDI汽油机的喷油策略，如喷油压力，喷油次数，喷油正时等都会对汽油机的燃烧特性，污染物排放有重大影响。例如采用二次喷油策略，改变两次喷油的比例会导致混合气的混合时间，混合气形成时的气流运动都有所改变，从而对缸内的燃烧和污染物的生成产生影响。例如改变喷油压力，则会影响到燃烧放热率，从而导致燃烧持续期的变化。适当提高压力可以缩短持续期，但是过高的压力可能会反而导致持续期的增加。例如喷油时刻过早或过晚，都会使碳烟排放量增加。因此，应对不同的发动机工况使用不同的喷油策略，不仅可以改善发动机的燃烧性能，又可以满足降低其排放的目的。

根据喷油情况的不同，可以将缸内直接喷射分为均质混合直喷和分层燃烧两种不同的模式。

均质混合直喷式发动机一般在进气过程的初期喷入燃油，在缸内形成混合气，这样可以增加油气混合时间。此外，这种混合方式充分利用了汽油蒸发吸热的特点，降低缸内的温度，提高进气量和气体密度，提高了动力性。此外由于缸内温度的下降导致了爆燃倾向降低，因此可以适当的提高压缩比。

在分层燃烧模式下，不同区域的空燃比是有所不同的。为了保证火花塞能够顺利点燃混合气，会在火花塞附近形成较浓的混合气。但对于整个缸内来说，整体的混合气仍属于稀薄混合气。这种情况下可以使燃料充分燃烧，提高燃料经济性，但是混合气过稀，会导致三效转化催化装置的效率降低，从而使得污染物排放量过高。

综上所述，相对于传统PFI发动机，GDI发动机存在着以下几个优点：

第一，利用燃油在缸内蒸发吸收热量的特点，降低缸内温度，可以提高压缩比和充量系数，提高动力性，同时减小爆燃发生的可能性。

第二，采用了GDI喷油方式后，冷启动情况下，有着足够的喷射压力，显著降低了污染物的排放量。

第三，GDI汽油机可以更好的控制喷油时刻，可以实现不同工况下更加精确的喷油策略，瞬态响应性更好。

1.4 国内外研究现状

缸内直喷汽油机相比于PFI发动机不仅拥有更好的经济性，并且拥有更低的污染物排放量，尤其是NOx。但是在某些方面，GDI汽油机同样存在着一些局限性。GDI汽油机的喷油次数，喷油比例，喷油正时等喷油条件都会对GDI汽油机的性能产生重大影响。因此，国内外很多学者都在GDI汽油机的喷油策略方面进行大量仿真模拟，以研究GDI汽油机喷油策略对于发动机燃烧和排放的影响。

M.Costa等^[15]通过试验和数值分析技术分析在HOS稀燃运行的GDI发动机中分层喷射的影响，发现在均匀分层汽油直喷发动机中分层喷射，具有高燃烧效率和低污染物排放的特点。Bae等^[16]对单缸发动机进行实验以研究多次喷射对喷雾导向直喷火花点火发动机分层燃烧特性的影响。结果显示，两次喷射增加了分层混合物的局部均匀性。HC和CO的排放量也显著下降。而三次喷射则会导致喷射正时的窗口变窄。Jingeun Song等^[14]获取缸内压力和高速火焰图像评估燃烧特性，并进行KIVA模拟以观察缸内流动和燃料喷射扩散过程，得出结论；两次喷射策略利用由喷射运动引起的额外湍流来增加发动机功率。

国内众多研究学者也对GDI汽油机的喷油策略有所进展。陶友东等^[2]通过AVL-Fire软件对GDI发动机的几何模型进行模拟，发现在固定喷油时刻的情况下，点火时刻混合气均匀性随二次喷油的比例下降而上升，且二次喷射中不同的喷油比例对燃烧性能影响很大，不但会影响缸内最高温度最高压力，也会影响放热率。李钰怀等^[1]对光学单缸发动机进行了台架试验，将GDI汽油机的火焰可视化，并得出结论：多次喷射可以有利于燃油与空气的相对运动与渗透效果，从而促进燃油的雾化，并且燃油喷射较早情况下可以增加油气混合时间，从而提高混合气的均匀性。庞昌乐等^[5]认为，单次喷油条件下，早喷会影响到燃油碰壁，从而产生大量碳烟。晚喷导致混合气形成时间不充分，从而产生过大排放。中喷工况下，采用合适的喷油策略可以减少碳烟排放。并且在喷油量相同的情况下，采用两次喷油策略，能够促进混合气混合均匀，减少碳烟排放。庄祝乐等^[6]通过对自然吸气发动机的颗粒排放物直径分布进行研究，发现GDI发动机的喷油时刻影响到颗粒物排放，比如说在1500/min的情况下，低负荷条件下的最佳颗粒物排放点位于曲轴上止点前332°，高负荷条件下的位于曲轴上止点前283°。李雁飞等^[11]通过对定容弹进行PDPA研究喷油策略对喷雾特性的影响，发现提高喷射压力的情况下，能够提高喷雾的贯穿速度，降低油滴直径，改善混合气质量。背压过高则相反，会使油滴直径增大。柳青^[13]先通过BTDCD建出发动机三维模型，再将其导入AVL-FIRE软件中进行仿真模拟，得出结论，认为进气行程中既不能过早喷油，也不能过晚喷油，否则会对混合气的形成产生负面影响。喷油过早，容易在活塞头部形成油膜，导致燃油雾化混合不好，活塞头部附近形成较浓的混合气，而缸内其他区域燃油量不足从而影响混合气均匀性；喷油过晚，燃油与空气混合时间过短，活塞运行到上止点时，部分燃油仍未得到充分的雾化，导致混合气形成极不均匀。栾涛等^[3]通过白光测试系统发现了喷油背压就喷油喷雾形成之间的规律。杜家坤等^[4]利用单缸光学发动机测功系统分析了喷油策略对于GDI发动机喷雾形成和燃烧的影响。代志尧^[7]通过AVL-Fire软件对发动机模型进行仿真，在通过台架试验得到的实验结果进行对比，得出了一系列GDI发动机喷油策略对燃烧排放的影响的结论。苗元元^[8]通过对GDI电控系统进行分析，提出了电控喷油系统的优化方案。袁亚飞等^[9]采用了数值模拟的方法研究了喷油器喷嘴对于发动机燃烧性能的影响。张美娟等^[12]通过油泵试验台研究了驱动参数对喷油器特性的影响^[10]。扬升等通过定容燃烧弹研究了喷油压力对GDI发动机积碳和喷雾形成的影响。

1.5 本文目标及内容

本文将对GDI汽油机模型进行仿真模拟，采用CONVERGE分析软件对燃烧排放性能进行分析。通过改变其喷油次数，喷油正时等喷油参数，观察其燃烧排放特性的变化，从而得出GDI汽油机喷油策略设计及其对燃烧排放性能的影响。

第一，阅读关于GDI汽油机喷油策略方面的文献资料，学习相关的理论知识，了解评价汽油机燃烧排放性能的指标。

第二，观看CONVERGE软件教学视频，了解软件的应用情况，学习并掌握软件的使用方法，对现有发动机模型进行模拟测试，得出更改前和更改后一系列性能参数。

第三，将更改前后所得到的数据进行对比，深入分析喷油策略对燃烧排放性能的影响。

1.6 拟采用的技术方案及措施

第一，查阅关于GDI汽油机方面的文献资料，学习GDI汽油机的结构和工作原理，了解GDI汽油机的关键技术，了解GDI汽油机的应用和发展前景，了解我国在GDI汽油机利用领域的发展现状，了解国际上关于GDI汽油机的最新研究进展。

第二，学习并掌握CONVERGE软件的基本功能，练习相关例子熟悉CONVERGE的操作，通过软件模拟汽油机的工作环境，得出不同条件下（如喷油正时，喷油技术等）的工作参数。

第三，综合仿真所得到的数据，分析不同的喷油策略产生的影响，对本次研究成果进行总结，对本次论文的不足进行反思，在提出合理的改进意见。

第2章 仿真模型的建立

2.1 仿真参数设置

本文研究的是喷油策略对于汽油机燃烧排放性能的影响，故生成的模型包括三个部分，进气道，气缸，排气道。由于缸内燃烧以及排放结果的对比都在本文的研究目的当中，故本模型的计算区间包括了整个循环。CONERGE默认的始点为压缩上止点，所以本文所采用的区间为-354°CA～366°CA。本文通过对喷油模型中的喷油器喷油参数，如喷油正时，喷油持续期等进行调整，改变喷油策略，对生成结果进行对比来达到研究目的。表2.1为本次仿真所采用的GDI自然吸气发动机的基本参数：

表2.1 GDI汽油机基本参数

2.2 模型几何前处理

为了使模型能够正常运行并能方便设置各部分的参数，在整个计算区域上需要对网格进行划分，具体步骤如下：

第一，导入模型。将原型机的模型导入CONVERGE。

第二，划分边界。在boundary中预先设定15个不同的组分，在通过fence将不同组分的边界确定，然后将边界划分后的部分与预先设定的组分一一对应。查看未分配网格数，确定为零后，即完成网格的划分。

第三．活塞位置和气门位置调整（见图2.1）。确定活塞位于下止点位置，若活塞位置位于上止点，则将活塞移动一个行程。由于发动机在几何准备中时不可将气门置于完全关闭状态，故要留有一个小的开度，此处设定为0.2mm。

图2.1 气门位置图

2.3 计算模型的选择

本文的目的是研究喷油策略对于燃烧排放的影响，所以在参数设定过程中应该使用的模型有：湍流模型，破碎模型，排放模型以及燃烧模型等，本节通过对CONVERGE提供的模型进行比较，选择最适合本次仿真的模型。

2.3.1 湍流模型

湍流运动在整个缸内的流动燃烧过程中起着重要作用。在GDI汽油机中，湍流能促进气体流动，从而可以改善混合气的形成，并且在燃烧过程中，能够促进已燃气体与未燃气体产生热量交换，从而提高火焰传播速率，因此湍流模型的选择在设定中非常重要。

现如今流行较广的湍流模型有五种：RSM（雷诺应力）模型，LES（湍流的大涡模拟），k-（涡粘性-耗散双方程）模型，HTM（AVL复合湍流）模型，K-Z-F（四方程）模型。RSM模型，k-模型以及LES模型都适用于高Re数的流体运动，在近壁区附近，受到分子粘性影响，湍流发展不够充分，Re数比较低，采用以上模型时需要加以处理。此外RSM模型稳定性过差，易于发散，且计算量大，对计算机要求很高。LES模型的计算更为复杂，多在超级计算机或网络机群秉性环境下才会采用该模型。RNG k-模型相比于k-模型，修正了湍动粘度，加入了流动中产生的旋转。此外，标准的k-模型用于带旋流或者在弯曲壁面时的流动，会出现失真现象。因此，本次仿真的湍流模型选择了RNG k-模型。

2.3.2 破碎模型

燃油破碎（见图2.2）通常发生在燃油碰壁后，燃油的破碎程度通常会影响到燃油的雾化效果，影响混合气的形成，从而对内燃机的经济性和动力性产生影响。CONVERGE软件中提供了四种模型，分别是KH，RT，LISA，TAB模型。KH-RT模型是比较通用的模型，KH模型通常模拟一次破碎过程，RT模型通常模拟二次破碎过程。LISA模型较为特殊，通常只用来模拟全流式喷嘴。TAB模型可自动计算喷雾锥角的大小，一般适用于模拟喷油压力较小的模型，比如说汽油机的气道喷射。在本次模拟中，通常选用汽油机中比较常见的KH-RT模型。

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