【摘 要】
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缸内直喷汽油机（gasoline direct injection,GDI）不仅能促进缸内混合气的形成,增加燃烧热效率,而且能减少颗粒物和氮氧化物的排放。但是随着GDI发动机压缩比和负荷的增加,极易出现爆震现象。喷水作为一种简单有效的方法,既能有效抑制发动机的爆震燃烧,还能降低污染物的排放。因为水的较高的汽化潜热可降低发动机缸内的燃烧温度,同时水参与的一系列燃烧化学反应可有效抑制爆震机理的突变。本
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缸内直喷汽油机（gasoline direct injection,GDI）不仅能促进缸内混合气的形成,增加燃烧热效率,而且能减少颗粒物和氮氧化物的排放。但是随着GDI发动机压缩比和负荷的增加,极易出现爆震现象。喷水作为一种简单有效的方法,既能有效抑制发动机的爆震燃烧,还能降低污染物的排放。因为水的较高的汽化潜热可降低发动机缸内的燃烧温度,同时水参与的一系列燃烧化学反应可有效抑制爆震机理的突变。本文通过数值模拟的方式探究进气道喷水的不同喷水策略对GDI发动机爆震的抑制作用,即在某型缸内直喷汽油机的爆震工况的基础上,用爆震强度KI结合HCO自由基的生成来表征爆震,从化学动力学的角度分析不同喷水策略（喷水器位置、喷水温度、喷水时刻）对气缸周围末端混合气区燃烧反应过程及HCO自由基生成的影响机理,从而揭示不同喷水策略对爆震的影响机理,再从物理方面分析不同喷水策略对缸内燃烧及排放的影响研究。本文首先通过三维仿真软件建立GDI汽油机的几何模型,再选择合适的数值子模型及燃料机理,基础网格通过网格无关性验证而确定,将本文所用模型在实验工况下计算得出的结果与实验结果进行验证,确定所选模型的可行性。最后将压缩比增大到10.3,点火正时调整至-14℃A,诱导发动机产生爆震。在上述爆震工况下,根据与进气阀门不同的距离及喷射角度设计了6种不同的喷水器安装方式。喷水器的位置平行于进气道（90°）,距离进气阀门较近（0.07mm和0.1 mm）,能有效的抑制爆震。因为水和燃油的雾化效果更好,当量比分布较均匀,缸内燃烧充分且均匀,未产生气缸内的压力波动,也未产生HCO自由基的突变。此喷水器布置下的循环做功量都比未喷水时高,且距离进气阀门越近,循环做功量越大,碳烟排放比未喷水时降低了26%,但距离进气阀门较远的CO排放量最低。选择距离气缸中心0.07 mm,方向90°的喷水器安装方式,设置298K、338K和393K的喷水温度。水和燃油的雾化效果与喷水温度成反比,爆震强度随着喷水温度的增加而增加,故298K的喷水温度在气缸壁面未发生HCO自由基的突变,故能完全抑制爆震,且能有效降低碳烟和CO的排放。在上述喷水器布置方式下,喷水温度设置为298K,探究-370℃A（Crank angle,曲轴转角）到-290℃A,增加梯度为20℃A的不同喷水时刻对爆震的抑制作用。结果表明,喷水时刻过早或过晚都会加快火焰传播速度,但是喷水时刻较晚时不仅会恶化气缸内燃油的雾化及油气混合效果,最终无法抑制爆震的发生,还会增加碳烟和CO的排放量。喷水时刻从-370℃A到-330℃A时,火焰传播速度逐渐增大,但不会产生爆震。喷水时刻为-310℃A时气缸壁面产生大量HCO自由基的突变,产生集中放热,加强爆震趋势。喷水时刻为-290℃A时火焰传播速度最快,处于临爆震。喷水时刻为-350℃A的循环做功量比未喷水时提高了2.4%。喷水时刻为-370℃A的CO排放量比未喷水时降低了33.7%。
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