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原文传递大缸径双点火摩托车汽油机工作过程及其性能研究

论文题名：	大缸径双点火摩托车汽油机工作过程及其性能研究
关键词：	摩托车发动机;火焰传播;热功转换过程;空燃比;排放性能
摘要：	我国能源需求量相当庞大，特别是化石能源，国内开采量远远不足自给。近年来我国石油对外依存度已接近70%，能源形势严峻。交通工具消耗的化石燃油占总量的一半以上，主要是因为我国机动车保有量非常大。另一方面，我国环境污染问题突出，而对于大气主要的污染物（如HC、CO、NO及PM，发动机排放的NOx以NO为主，故若非特殊说明，本文中NOx仅指NO），机动车都有不小的贡献，特别是在大城市，机动车排放污染更为严重。而摩托车由于排放因子高，排放标准落后于汽车2-3个阶段，对机动车污染物排放总量的贡献不可忽视。因此，提高摩托车发动机缸内工作效率及尾气处理水平，是当前摩托车工业急需研究和突破的方向。研究各先进燃烧理念（如稀燃、多点点火等）在摩托车上的应用，对提升摩托车发动机技术水平、提高摩托车工业对节能减排的贡献具有非常重大的意义。　　因此，基于一台先进的多点点火摩托车发动机，本文结合多种手段，对发动机宏观性能表现（如动力性、油耗率、排放等）在宽泛工况下进行数据梳理和规律总结，并对缸内工作过程（特别是火焰传播）深层机理深入探讨。试图破解各个参数间的相互作用和影响模式，探究出各种新技术应用的最佳方式和实现途径。首先，通过发动机台架稳态试验，在宽广工况范围下测量了发动机性能参数和过程参数，研究了空燃比和点火模式对发动机性能和工作过程的影响。对于空燃比，结果表明随着混合气由浓变稀，缸内热功转换过程更完善，发动机能量消耗率降低；HC及CO排放量随着空燃比增大而降低，NO排放量随着空燃比增大而增多；而循环变动在略稀的工况（λ=1.1）表现最佳，而混合气过浓或过稀都会导致燃烧恶化。说明通过优化空燃比可以获得更清洁高效的汽油机工作过程。　　对于点火模式，研究发现：双火花塞同步点火几乎在所有工况都给发动机带来更优的动力性和更低的燃油消耗率，并轻微地降低了发动机爆震倾向；此外，双点火模式下，HC、CO及NO排放都较单点火高。经CFD模拟发现双点火模型下，后焰温度较单点火低，不利于HC（特别是从缝隙中释放的）及CO的氧化；而双点火最高温度比单点火高，NO在相同的空燃比下几乎仅与最高温度有关。研究表明，需要进一步优化点火数量、时刻、燃烧室形状等因素之间的互相作用，才能使双点火具有最佳的发动机综合性能。　　然后，通过提升核心H2/O2/C1子机理，改进了汽油燃烧机理，提升了其燃烧过程CO/CO2的预测精度，阐述了核心小分子机理在总体燃料化学模型中的作用。并基于此建立了零维的ChemKin缸内反应器模型（仅包含高压循环），同时建立了耦合一个简化燃烧化学机理的缸内全循环CFD模型。通过与实验结果的对比，发现了零维的ChemKin均质反应器模型由于物理模型的缺失，仅代表了缸内的“核心”区域（相当于双区模型的“已燃”区），不能捕捉到缝隙效应及分层效应等物理特征，导致对污染物预测结果精度较差。而对于CFD模拟，即便只是耦合一个简化的化学机理，仍然可以很好地预测燃料放热和污染物生成过程。本文的研究，为模拟计算过程中物理和化学模型间的合理耦合指明了方向。之后，结合ChemKin和CFD模拟各自的优势，详细深入探讨了该发动机缸内工作过程，较好地阐释了不同点火模式下排放特性。深入分析了多点点火模式下火焰传播及其受限特点，为点火模式、几何结构、湍流组织间的协调与配合提供了理论依据和分析思路。　　最后，基于底盘测功机开展了摩托车整车瞬态测试。深入分析了瞬态工况下整车排放及其与发动机工作状态的关系，并与稳态工况作对比。在冷启动阶段THC和CO排放非常高。并且此阶段CO2也偏高，但这主要是由较高的燃油消耗造成的，而不是由燃烧完全造成的；另外，CO和CO2在瞬态工况下排放量低于对应的稳态排放值，NO排放量随着车速提升而增高。研究表明，瞬态工况下较低的容积效率和点火正时偏离稳态标定点（特别是在郊区和高速公路驾驶模式）是导致其燃烧状态较稳态运行差的主要原因。　　通过本文的研究，系统分析了空燃比和点火模式等参数对大缸径双点火摩托车发动机缸内燃烧和排放性能的影响，揭示了瞬态工况下摩托车发动机排放性能恶化机理，大大扩展了摩托车发动机工况和参数的研究范围，为改善摩托车发动机的燃烧和排放性能提供了理论依据。
作者：	刘小强
专业：	机械工程
导师：	刘敬平
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2019
正文语种：	中文