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无节气门汽油机燃烧循环变动特性及优化试验探究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球汽车保有量的持续增长，能源短缺和环境污染问题日益凸显，汽车行业正面临着前所未有的挑战。汽油机作为汽车的主要动力源之一，其性能的优化对于节能减排至关重要。传统汽油机普遍采用节气门来调节进气量，以控制发动机的负荷。然而，节气门在部分负荷工况下会带来诸多问题。当节气门开度较小时，进气阻力显著增大，导致额外的能量损耗，泵气损失增加，进而影响发动机的燃油经济性。据相关研究表明，在中小负荷工况下，节气门造成的泵气损失可占发动机总能量损失的相当比例。此外，节气门处的节流作用还会引发压力降和温度变化，导致热损失增加，进一步降低发动机的能量利用效率。同时，节气门的存在使得进气系统结构相对复杂，增加了维护成本和故障风险。

为了突破传统汽油机节气门的限制，无节气门汽油机应运而生，成为内燃机领域的研究热点。无节气门汽油机利用内部阀门取代传统节气门，实现进、排气量的控制和调节，具有进气阻力小、可靠性高、节能等优点。例如，基于进气门早关（EIVC）技术的无节气门汽油机，通过精确控制进气门的关闭时刻，实现对进入气缸内工质数量的有效控制，从而取消了节气门。这种创新设计理念带来了一系列显著优势，不仅大幅减小了进气阻力，提高了充气效率，还极大地降低了泵气损失，有研究显示，采用EIVC技术的无节气门汽油机在中小负荷时的燃油消耗可降低10-15％，有效提升了燃油经济性。此外，无节气门汽油机还能减少发动机的零部件数量，简化进气系统结构，提高系统的可靠性和稳定性，降低维护成本。

然而，无节气门汽油机的燃烧过程存在燃烧循环变动现象。燃烧循环变动是点燃式发动机燃烧过程的一大特征，是指发动机以某一工况稳定运转时，这一循环和下一循环燃烧过程的进行情况不断变化，具体表现在压力曲线、火焰传播情况及发动机功率输出均不相同。这种燃烧循环变动会对汽油机的性能产生诸多负面影响。由于存在燃烧循环变动，对于每一循环，点火提前角和空燃比等参数都不可能调整到最佳，因而使发动机油耗上升、功率下降，性能指标得不到充分优化。随着循环变动加剧，燃烧不正常甚至失火的循环次数逐渐增多，碳氢化合物等不完全燃烧产物增多，动力性、经济性下降。同时，由于燃烧过程不稳定，也使振动和噪声增大，零部件寿命下降，当采用稀薄燃烧时，这种循环变动情况加剧。

因此，深入研究无节气门汽油机的燃烧循环变动具有重要的现实意义。通过对其燃烧循环变动的研究，可以进一步揭示无节气门汽油机的燃烧特性和内在规律，为优化发动机性能提供理论依据。在提升汽油机性能方面，有助于优化燃烧过程，提高燃烧效率，使燃料更充分地燃烧，释放更多的能量，从而提高发动机的动力输出。在降低排放方面，能够减少有害气体的排放，降低对环境的污染，满足日益严格的环保法规要求。在节约能源方面，可降低燃油消耗，提高能源利用效率，缓解能源短缺问题。本研究对于推动无节气门汽油机的技术进步和广泛应用，促进汽车行业的可持续发展具有重要的推动作用。

1.2研究目的

本研究旨在通过系统的试验，深入探究无节气门汽油机燃烧循环变动的内在规律和影响因素，为优化发动机性能、降低排放、提高燃油经济性提供坚实的理论依据和可行的技术方案。具体而言，研究目的主要涵盖以下几个方面：

揭示燃烧循环变动规律：精确测量并深入分析无节气门汽油机在不同工况下（如不同转速、负荷、点火提前角、空燃比等）的燃烧循环变动参数，包括气缸压力、瞬时放热率、火焰传播速度等，全面揭示燃烧循环变动随各工况参数的变化规律，明确不同工况对燃烧循环变动的影响程度和趋势。

明确影响因素及作用机制：系统研究进气涡流、残余废气系数、混合气均匀性等关键因素对无节气门汽油机燃烧循环变动的影响，深入剖析各因素之间的相互作用关系和内在作用机制。例如，探究进气涡流如何通过改变混合气的运动状态和混合程度，进而影响火焰传播速度和燃烧稳定性；分析残余废气系数的变化如何改变气缸内的燃烧环境，对燃烧循环变动产生作用；研究混合气均匀性的差异对燃烧过程的影响，以及如何通过优化混合气形成过程来降低燃烧循环变动。

探寻优化策略与方法：基于对燃烧循环变动规律和影响因素的研究成果，探寻有效的优化策略和方法，以降低无节气门汽油机的燃烧循环变动。这可能包括优化进气道结构和气门控制策略，以改善进气涡流和混合气均匀性；调整点火系统参数，提高点火能量和可靠性，确保混合气可靠点燃；优化燃油喷射策略，精确控制燃油喷射量和喷射时刻，实现更合理的混合气分布；探索先进的燃烧控制技术，如多点点火、稀薄燃烧等，进一步提高燃烧稳定性和效率。通过这些优化措施，实现无节气门汽油机燃烧性能的提升，达到降低排放、提高燃油经济性和动力性的目的。

1.3国内外研究现状

在无节气门汽油机的研究领域，国外的研究起步较早，