摘要
缸内直喷和涡轮增压相互协同的小型强化技术具有很好的动力性和燃油经济性，成为直喷（GDI）汽油机发展的一种趋势，但是强化技术使得缸内热负荷急剧增加，容易引起发动机发生爆震，目前爆震是提高直喷汽油机性能的主要限制因素之一。水的汽化潜热很大，将水喷入气缸可以很好地降低缸内最高温度、压力，使燃烧更加平缓。喷水是一种简单且有效的抑制爆震的方法。本文通过数值模拟的方式探究了缸内直接喷水对GDI汽油机燃烧的影响，首先通过增大压缩比和提前点火时刻的方式诱导汽油机发生爆震；然后探究了两种喷水器的布置方式（缸内直接喷水）和喷水温度对水在缸内的运动以及对燃烧和爆震的影响；最后选择了喷水器布置在中心的方式探究了不同喷水压力对GDI汽油机燃烧和爆震的影响，以及喷水与增压和提前点火三者共同提高发动机性能的潜力。 首先通过三维软件建立了直喷汽油机的几何模型，然后选择合适的子模型以及机理，通过网格无关性验证和与实验的一致性验证证明建立的模型可以很好地模拟直喷汽油机的真实运行工况。在低速高负荷的实验工况下将压缩比从9.5增加到10.3，并将点火时间提前到718℃A，对爆震工况进行了模拟。 随后在上述的爆震工况下，设计了两种喷水器布置方式。一种是喷水器布置在气缸盖中心，另一种是喷水器布置在进气侧，两种布置方式都是缸内直接喷水，只是喷水器布置位置不同。探究了两种喷水器布置方式对水在缸内的运动、末端混合气的一些中间产物（CH2O、H2O2）的影响，进而探究了对燃烧和爆震的影响。结果表明喷水器布置在气缸盖中心时点火前水在缸内的分布更加合理，火花塞附近几乎没有水，未蒸发完的水都分布在气缸壁面附近，末端混合气中的CH2O也更少，能够更好地抑制爆震；当喷水器布置在进气侧时，发动机的KI的值为2.9，KI大于2，喷水没能完全抑制爆震的发生。然后在喷水器布置在中心时探究了25℃、100℃和200℃三种喷水温度对爆震的影响。结果表明，汽油机的爆震强度随喷水温度的增大而增大，当喷水温度为25℃时，汽油机的KI值最小，爆震强度最小。 最后根据第四章的分析选择了喷水器布置在气缸盖中心，喷水温度为25℃时，设置了喷水压力为40bar、60bar、80bar、100bar、120bar和未喷水这6个工况探究了喷水压力对直喷汽油机燃烧和爆震的影响。结果表明，喷水明显减少了末端混合气中的CH2O；当喷水压力大于60bar，喷水完全抑制了爆震的发生。当喷水压力为100bar时，发动机的KI值最小为0.36；循环做功量随喷水压力的增加而增加。喷水压力为120bar时，循环做功量最大为1028.9J,比实验工况下的循环做功量增加了14%。喷水、增大压缩比和提前点火时间三者结合起来可以提高循环做功量。
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