（动力机械及工程专业论文）燃气发动机混合器工作特性分析及改进.pdf

a dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering analysis and improvement of mixer work characteristics on gas engines candidate : yang jun major : power machinery and engineering supervisor : prof. jiang yankun huazhong university of science and technology wuhan, hubei 430074, p. r. china january, 2012 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘摘 要要 目前燃气发动机发展迅猛，全新燃气发动机和改装燃气发动机的数量逐年攀升， 同时也面临着更加严格的排放法规。在第二代基于混合器的电控燃气发动机中，仅 仅依靠先进成熟的控制策略并不能使发动机工作在最佳状态，混合气的均匀程度直 接影响到缸内的燃烧过程，对排放、油耗和功率都有很大的影响。因此对现有混合 器的研究就尤为重要。为此，本文对混合器工作特性进行了分析和研究，并提出了 改进措施。 首先，分别对比例式混合器和文丘里混合器的工作特性进行了分析，在此基础 上，以某比例式混合器为例，在对其进行建模与仿真基础之上，探讨了其工作过程 特性。然后，对文丘里混合器的流场特性进行了计算分析，包括燃气入口压力、出 口压力、喉口小孔孔径及数量、出口直径、入口直径、喉口直径等对文丘里混合器 内流场和工作特性的影响。通过对其工作特性的研究提出了改进方案，获得了较佳 的燃气室布置形式和喉口处燃气出口结构。改进后文丘里混合器的燃气混合均匀程 度有了较大的改善，压力损失也控制在合理范围之内。最后，计算了不同工况下改 进后的文丘里混合器的工作特性，发现在不同节气门开度和出口压力下空气和燃气 都混合得比较均匀，空燃比略有波动。 关键词：关键词：燃气发动机 混合器 工作特性 流场结构 性能改进 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract gas engines have been developing rapidly all over the world, and the number of new gas engines and modified gas engines raises year by year, but also facing more stringent emission regulations. only the electronic control strategy can not make the engine work in the best condition, the uniformity of the mixture directly affect the combustion and have a great influence on emissions, fuel consumption and power. therefore, the mixer features is analysed and measures for improvement is proposed. firstly, the operation characteristic of proportional mixer and venture mixer are analyzed. a model of proportional mixer was developed to simulate the work process. then, the influence of gas inlet pressure, outlet pressure, throat diameter and the number of holes, outlet diameter, inlet diameter and throat diameter to the flow filed of venturi mixer was calculated and analyzed. based on the research of the work characteristics of venturi mixer, a better arrangement of the gas chamber and the gas export structures at the throat were proposed. the uniformity of the mixture of the improved venture mixer has been greatly improved, and the pressure loss was controlled in the reasonable scope. finally, the operation characteristic of venturi mixer under different conditions was calculated, the air and gas are mixed uniformly on different throttle opening and outlet pressure, and the air-fuel ratio has a slight fluctuations. keywords: gas engine, mixer, operation characteristic, flow structure, performance improvements 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iii 目目 录录 摘摘 要要 . i abstract . ii 1 绪论绪论 1.1 引言 . (1) 1.2 燃气供给系统 . (3) 1.3 研究的目的和主要工作内容 . (6) 2 比例式混合器建模及仿真比例式混合器建模及仿真 2.1 比例式混合器原理 . (8) 2.2 比例式混合器理论模型 . (8) 2.3 计算结果分析 . (12) 2.4 本章小结 . (18) 3 文丘里混合器计算分析文丘里混合器计算分析 3.1 基本方程 . (19) 3.2 计算分析 . (21) 3.3 燃气入口压力对混合器的影响 . (24) 3.4 出口压力对混合器的影响 . (27) 3.5 喉口小孔孔径及数量对其性能的影响 . (28) 3.6 出口直径对混合器性能的影响 . (30) 3.7 入口直径对混合器性能的影响 . (32) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iv 3.8 喉口直径对混合器性能的影响 . (34) 3.9 本章小结 . (36) 4 文丘里混合器的改进文丘里混合器的改进 4.1 改进燃气室 . (38) 4.2 改进燃气出口 . (44) 4.3 本章小结 . (50) 5 不同工况下文丘里混合器的工作特性不同工况下文丘里混合器的工作特性 5.1 节气门开度对文丘里混合器的影响 . (53) 5.2 出口压力对文丘里混合器的影响 . (56) 5.3 本章小结 . (58) 6 总结与展望总结与展望 6.1 总结 . (59) 6.2 展望 . (59) 致致 谢谢 . (60) 参考文献参考文献 . (61) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 引言引言 随着全球经济的快速发展和人们生活水平的提高，各国的汽车保有量都在不断 增长，而中国作为一个生产力强劲的发展中国家尤为突出。目前我国汽车消费需求 旺盛，2009 年我国汽车产销量突破 1300 万辆， 2010 年全国汽车产销更是达到了 1826.47 万辆和 1806.19 万辆，产销再创新高，刷新全球历史记录1。截止到 2011 年 8 月底， 全国汽车保有量首次突破 1 亿辆， 占机动车总量的 45.88%。 从 2006 年至今， 汽车保有量年增量逐年攀升。2011 年前 8 个月汽车保有量月均增加 123 万辆，而去 年同期月均增量为 113 万辆2。因此可以预见，汽车保有量在一段时期内仍然会较快 的增长。汽车保有量的增长带来了诸多问题，燃油总量的急剧消耗、严重的尾气污 染问题以及能源安全问题已经引起政府的高度重视3。 2009 年环境监测显示，全国 113 个环保重点城市三分之一的城市空气质量不合 格，煤烟型和汽车尾气复合型污染已成为许多大中城市空气污染的特征，而大气污 染的治理难度也与日剧增。部分地区酸雨、臭氧浓度的增高、光化学烟雾和灰霾等 问题的产生与机动车的排放污染物直接相关，如氮氧化物、颗粒物等。2009 年，全 国机动车排放污染物 5143.3 万吨，其中一氧化碳达 4018.8 万吨，碳氢化合物 482.2 万吨，氮氧化物 583.3 万吨，颗粒物 9.0 万吨。汽车尾气排放是主要的污染源，其排 放的一氧化碳和碳氢化合物超过机动车总排放的 70%，氮氧化物和颗粒物超过 90% 4。随着化石燃料的急剧消耗，co2 的排放量与日俱增，温室效应越来越严重，而哥 本哈根会议的召开也说明了形势的严峻5。 近些年，我国经济高速增长，因此石油消耗量逐年加剧，石油对外依存度也不 断升高，石油安全存在较大隐患。2009 年进口石油 1.99 吨，2010 年则达到 2.39 亿 吨，而今年前 11 个月石油进口就达 2.32 亿吨。目前中国石油消费年均增长为 6%， 而国内石油产量基本稳定在 2 亿吨，2010 年石油总消费为 4.5 亿吨，对外依存度为 54.8%，这样计算下来，2012 年石油对外依存度就会达到 60%6。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 为解决这些问题，必须开源节流，一方面可以不断提高汽车的经济性、减少排 放，另一方面可以开发各种代用燃料以缓解石油的供求矛盾。目前主要的研究思路 和解决方法主要分为以下三个方面： 1) 开发利用可再生新能源，主要表现为以电池作为汽车动力源。但从目前电动 车发展现状来看，还存在电池成本过高、质量问题难以解决、寿命过短、容 量较小等难以解决的问题7。电池的大规模应用还亟需技术的进步。此外电 池的能量来源目前主要是火电厂的电能，目前的能源结构并不适合发展电动 汽车8。 2) 在汽油机和柴油机上应用先进的电子控制技术、稀薄燃烧、hcci、混合动 力等先进技术来提高发动机的性能和燃料的利用率，同时降低排放。 3) 采用液化石油气(lpg)、天然气(ng)、含氧燃料(醇、醚、酯)、生物柴油等作 为替代燃料。 在采用代用燃料时有许多解决方案，一方面可以对传统的汽油机和柴油机进行 改造，以适应新的燃料，另一方面也可以针对代用燃料开发新的发动机，此外也可 以将代用燃料与汽油或柴油进行掺烧。代用燃料中又以液化石油气和天然气这些气 体燃料应用最为广泛。气体燃料与空气同相，容易形成均匀的混合气，因此燃烧比 较充分，不会产生积炭，一氧化碳和颗粒物的排放较低。气体燃料大部分都是含碳 量很低的烃类，在释放相同能量的情况下气体燃料比汽油和柴油产生的二氧化碳量 少很多9。气体燃料的火焰温度一般较低，所以可以减少氮氧化物的排放量，且辛烷 值比汽油高，发动机也不易出现爆震，而且气体燃料不含有苯、硫、铅等危害人体 的元素10。 从目前国家的政策和实际效益上来看， 将代用燃料尤其是气体燃料应用于发动机 是大势所趋。现有的技术可以以很小的代价很方便的将传统的汽油机和柴油机改装 为气体燃料发动机。由于气体燃料单位体积的能量密度比汽油、柴油所含的能量低， 因此气体燃料大多以高压罐的形式储放，同时加气站只建立在一些较大的城市中且 加气站的数量比较少，所以燃气发动机主要应用于公交车、出租车和固定转速的发 电机上。由于气体燃料价格比较便宜，经济性较高，所以一些私家车也慢慢改装为 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 燃气发动机。lpg 和 cng 发动机占据了全球气体燃料发动机的大部分市场，其中又 以 cng 的技术最为先进，研究更为深入10。而 lpg 也以其良好的经济性、易于存 储和运输等原因在发动机上得到了大量的应用。对于气体燃料发动机而言，其进气 系统的研究显的尤为重要，良好的匹配和设计可以有效的改善气体燃料发动机功率 下降的缺点11。 1.2 燃气供给系统燃气供给系统 1.2.1 燃气发动机供气系统发展现状 燃气发动机发展至今已经历了三个阶段12，这三个阶段的差异主要表现在进气 系统和控制方式这两个方面。 第一个阶段为机械式混合器系统，其供气系统属于进气道预混合式。这种系统 不包含任何电子控制技术，主要采用混合器进行燃气和空气的混合，一般与气化减 压器匹配使用。这个阶段的混合器又基本上分为文丘里混合器和比例式混合器，其 基本原理是利用燃气与进气管之间的压差使燃气喷入。 第二个阶段为电控式混合器系统，主要是在机械式混合器系统上进行电控改造， 一般在减压蒸发器和混合器之间加装电磁阀，并以步进电机控制电磁阀的开度，从 而实现空燃比的控制，在排气管加装三元催化剂以改善排放。这类系统控制精度有 所提高，但是仍不能满足较严的排放法规。 第三个阶段为电控喷射式系统。由于采用喷嘴，因此可以实现燃气的精确控制。 电控喷射系统按照喷射位置一般分为两种，一种是进气道喷射，燃气首先通过汽化 器减压气化，然后再由喷嘴喷入进气道。另一种是缸内直接喷射，这种方式可以增 加充气效率高，功率较高，缺点是造价较为昂贵。电控喷射系统对燃油的品质要求 较高，对喷嘴也有一定的要求。电控喷射系统按照燃料又分为气态喷射和液态喷射。 液态喷射有许多优点，液态喷射没有节流损失，因而充气效率高，功率较大，且燃 料气化吸热使缸内温度降低，因而燃烧起始温度低，有利于减少发动机爆震及最大 爆发压力13。 由于成本原因，国内许多气体发动机都还是第二代系统，因此混合器的研究工 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 作具有十分重要的现实意义。 1.2.2 混合器研究现状 混合器是一种将燃气和空气在进气道进行预混的装置，主要分为文丘里混合器 和比例式混合器。 文丘里混合器出现时间较早，它是利用流体力学里面的文丘里效应制成的。文 丘里效应的原理即，当流体在缩放喷管里流动时，在管道最小截面即喉口处，速度 达到最大值，因此动压最大，静压此时最小，由于燃气出口在喉口处，燃气由于压 差而进入管内。文丘里混合器不仅应用于空气和燃气预混，也经常用于 egr 系统中 以使低压废气与空气良好混合。由于发动机排气管道压力比进气管道压力低，因此 利用文丘里混合器使空气和废气进行混合。文丘里混合器的优点是结构比较简单、 制造和维护成本较低，而由于其原理上的限制，混合气的空燃比在不同工况下变换 范围较大，相比而言更适合于固定转速发动机。美国机械工程师协会曾经对不同结 构的文丘里管进行试验，发现当雷诺数超过 2.0e5时，流出系数为一恒值 0.984，其 压力损失仅为压差的 1015%14。 比例式混合器沿用文丘里效应的原理，在结构和控制上做了一些改进15。比例 式混合器的进气量也是由节气门处压力控制的，相当于在气道内增加了一个阀门， 同时控制燃气和空气的流动，因此其空燃比比较稳定。由于燃气出口位于管道轴心， 因此燃气和空气混合比较均匀。由于比例式混合器结构较为复杂，其流动损失比文 丘里混合器稍大。 目前国内外学者对两种混合器都做了一定的研究。1992 年，tetsuro naganuma 等为一燃气发动机设计了混合器，并在稳流装置和发动机上进行试验16。1994 年， 范新民、何新楷等将比例式混合器简化为单自由度有阻尼机械振动系统，并由此得 到了混合器的动态响应过程以及阻尼对动态性能的影响，得出改变传压孔的结构即 可满足动态性能的结论17；范新民、何新楷、杨海燕等又对比例式混合器的设计做 了具体的研究，对空气阀和燃气阀的结构尺寸以及阀芯形状做了深入探讨，为混合 器的选型和设计提供了指导18。1995 年，xu b.y.和 furuyama m 使用纹影系统，通 过对喉口和节气门处的可视化研究了混合气的流动状态、流道和节气门开度对混合 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 气的影响，并提出了形成均匀混合气的条件19。2001 年，蔡少鲤、许伯彦等依然采 用纹影方法，对透明的混合器模型进行纹影拍摄并处理，研究了节气门开度和空气 流量对混合器均匀程度的影响，提出采用多重喉管和喉管下部导入辅助空气来改进 混合气均匀程度的方法20。2002 年，四川大学的张道文跟据伯努利方程和连续性方 程对文丘里混合器进行了简化建模，以最大功率点的流量作为目标函数进行文丘里 混合器的结构优化，实验表明发动机在安装经优化后的文丘里混合器后充气系数、 功率、扭矩都有所提高21；北京理工大学的祝勇、马朝臣等通过对不同结构的文丘 里管进行流场分析计算，研究了不同结构参数对文丘里管管内流动状态的影响，发 现文丘里管的收缩角和扩压角对管内流场影响较大，收缩角太大会使气流能量损失， 扩压角过大会，则易出现边界层分流，使文丘里管振动，压力恢复系数也会降低22。 2004 年黄海波、蹇明、杨健等通过改变喉口处小孔的布置，对天然气和空气的混合 进行了研究，提出了有利于混合气混合均匀的混合器结构和喉口小孔的布置形式， 并通过试验中的一次活塞烧蚀验证了分析的正确性23。2006 年，合肥工业大学的杨 瑜在真空泵试验台上对预混点燃式燃气发动机的进气系统进行试验研究，建立了空 气阀、 燃气阀和混合器+节气门的流量系数， 得到其流量特性， 并分别建立了模型24； 同年，天津大学的龚英利采用纹影系统对文丘里混合器和比例式混合器的混合过程 分别进行可视化研究，提出了纹影图像对比度计算方法，试验表明比例式混合器随 着节气门开度的增加和进气管真空度的增大混合均匀程度提高，文丘里混合器随节 气门开度增加混合器均匀程度变差，然后针对文丘里混合器在进气管中加装一根天 然气的圆柱引气管，改善了燃气和空气的混合效果，并通过试验发现喷孔数量越多、 直径越小，混合效果越好，最后又进行了翼形引气管的试验，混合效果也比较好25。 2007 年，yusaf, talal 等分析了喉口处小孔数量对混合器性能的影响，并对匹配了 8 孔的文丘里混合器的双燃料发动机与原柴油机的性能进行对比，nox、co 和 co2有 了明显下降，而其动力性能提升了 10%26;luj n, j.m.; galindo, j.等介绍了用于废气 再循环的文丘里混合器的测量技术，并通过稳流和脉动流的试验分析了文丘里混合 器的工作特性和动态性能27。2008 年，ramasamy, devarajan; bakar, rosli abu 等为 单缸摩托车发动机设计了一款文丘里混合器，通过数值计算分析了多种结构下的压 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 降及空燃比，最后通过试验验证了计算结果的准确性28。2010 年，d. ramasamy, s. mahendran 等研究了转速对文丘里混合器的影响， 结果表明转速越高， 管内压降也明 显29；mofid gorjibandpy, mehdi kazemi sangsereki 研究了文丘里混合器的喉口处小 孔数量对其性能的影响，发现 12 孔比 8 孔和 6 孔混合效果更好30；s. sundararaj,v. selladurai 研究了喉口处小孔喷射角度的变化对不可压气体在文丘里混合器中的射流 迹线、燃气扩散、不混合度和混合长度进行了数值模拟，并以实验进行验证，最后 提出了一种通过改变喷射角度来获得良好混合效果的方法31。2011 年杨帅、刘牮等 通过对文丘里管在不同的egr率引射情况下的流动情况的数值模拟对混合气的流场 状态、压力场和速度场进行分析，并提出了满足大 egr 率的改进方法32；dominicus danardono, ki-seong kim 等通过三维数值计算分析了喉口直径、燃气腔室厚度和出口直 径对文丘里性能和特性的影响，然后对空燃比、压力损失和混合质量进行了分析，通过 前面的数值模拟结果提出了优化后的结构参数，并通过试验进行验证33；ji ruihai, lin kewei 等对文丘里混合器的真空度进行了研究，探讨了影响混合器真空度和空燃比的因 素，并开发了一个双通道的文丘里混合器，通过台架试验和路况测试表明该混合器性能 良好34。 1.3 研研究的目的和主要工作内容究的目的和主要工作内容 本文主要研究比例式混合器和文丘里混合器的工作特性，并对文丘里混合器进 行优化。本文首先分析了比例式混合器的动态性能和工作特性，然后对文丘里混合 器进行三维数值计算分析，并对文丘里混合器进行了优化。 主要研究内容包括： 1) 比例式混合器建模及仿真 首先以伯努利方程为基础，根据缩放喷管的原理和牛顿第二定律建立比例式 混合器的动态模型，通过 matlab 编程对其工作过程进行仿真。然后计算了出 口压力和转速对混合器性能的影响。 2) 文丘里混合器数值计算及工作特性分析 通过使用 fluent 进行三维数值计算，首先分析了燃气入口压力与混合器出口 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 压力这两个边界条件对文丘里混合器的工作特性的影响。然后通过改变喉口 小孔孔径及数量、出口直径、入口直径和喉口直径来研究结构变化对文丘里 混合器工作特性的影响，为文丘里混合器的优化打下基础。 3) 文丘里混合器改进 首先探讨了文丘里混合器的燃气室的布置形式，在此基础上对喉口燃气出口 结构一步步进行改进，并与通常所见的改进方案对比。 4) 文丘里混合器+节气门 在改进的文丘里混合器的出口处加上节气门模型，并计算节气门开度和出口 压力对文丘里混合器的影响。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 2 比例式混合器建模及仿真比例式混合器建模及仿真 2.1 比例式混合器原理比例式混合器原理 比例式混合器的原理即根据混合腔与空气腔的压力差以及弹簧的弹力，使阀芯 上下运动，因此可以同时控制空气和燃气的进气通道截面35，从而达到自动控制混 合气流量和空燃比的效果。图 2.1 为混合器的剖面图。当混合器工作时，导压孔将混 合腔内的压力传递至膜片上方的腔体中，该腔内的压力与空气腔内的压力带动膜片 和阀芯上下移动，发动机工况改变时，节气门开度发生变化，进而影响到混合腔内 的压力。当混合腔内真空度变大时，阀芯升程增加，混合气的流量增大，真空度变 小时，阀芯升程减小，混合气的流量减小。阀芯升程的不同会使空燃比和混合气流 量同时发生变化，因此可以适应发动机的启动、怠速和加速工况36。 图 2.1 比例式混合器剖面图 2.2 比例式比例式混合器理论模型混合器理论模型 从流动分析的角度可以将比例式混合器简单的视为两个缩放喷管的汇流，如图 空气腔 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 2.2 所示。这里采用 impco 公司的 200m-2-2 型号的混合器作为试算对象，以空气和 lpg 气体作为流体。根据其结构参数及边界条件进行计算发现，当混合腔内压力较 小时，空气和燃气对应的缩放喷管的实际最小截面小于理论最小截面，因此在最小 截面处均为音速流动，当压力较高时，空气管路在最小截面处不再为音速流动，但 燃气在最小截面处依然为音速流动。可以看出流体的流速变化很大，由于气体易压 缩，因此不能简单的视为不可压流动。为简化模型便于计算，在此做了一下假设： 1) 进气过程为绝热流动 2) 进气过程不存在漏气损失 3) 忽略流动过程中的节流效应 4) 忽略缩放喷管在非设计工况下的激波和膨胀波效应 图 2.2 比例式混合器简化模型 设空气入口为无限大空间，则对于入口和出口，应用能量方程有： 2 022 20 211 pvpkk kk 其中 2 v为出口速度，k为空气的比热比， 0 p、 0 为入口处空气的压力和密度， 2 p、 2 为出口处空气的压力和 密度。 将等熵过程关系式： 02 20 kk pp 带入上式，可求得流体速度： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 1 02 2 02 2 1 1 k k ppk v k 进而可以计算出质量流量： 21 022 22202 000 2 1 k kk pppk mv aa kpp 方程中的未知量为 2 p，可以画出质量流量m与出口压力 2 p的函数图。设流体为 空气， 0 p为标准大气压， 2 p的变化范围为 0 0 p，即可画出类似抛物线形状的图形。 而事实上当出口处压力达到临界压力，即流体速度达到声速时，继续减小出口压力， 管内流量将不再变化。对上面方程进行求导即可得出临界压力的公式： 1 * 0 2 1 k k pp k 图 2.3 质量流量与出口压力关系图 因此可以得到管内最大质量流量37： 1 2(1) minmin00 2 1 k k makp k （2.1） 其中为最小截面处的面积，、分别为标准大气压力和标准大气密度，k 为绝热指数。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 缩放喷管的质量流量的一般公式为： 1 2/ 22 0200 00 2 1 k k k ppk map kpp （2.2） 其中为截面处的面积，、分别为截面处空气压力和空气密度。 假设空气缩放喷管的进气端为大气环境，出口为汇流处。当缩放喷管最小截面 处为音速流动时，由式 2.1 可以计算出管道的质量流量，进而由式 2.2 可以计算出任 一截面处的压力值。当缩放喷管处于非音速流动时，由式 2.2，根据进出口的边界条 件即可算出喷管的质量流量，再根据该公式就可以算出任一截面处的压力值。 图 2.4 为混合器的受力模型，根据牛顿第二定律： 111122 =aaa() kaaaaccccddk dh m apppapapfkhh dt （2.3） 同时可得： 1 * kkk vvadt （2.4） 1 * kkk hhvdt （2.5） 其中 k 为弹簧刚度，h 为弹簧预紧长度，m 为膜片的质量，为汇流处压力，f 为阻尼系数，h 为阀芯升程，v 为阀芯速度。下标 k 为时间序列。 由式 2.12.5 联立，通过迭代便可计算出混合器的动态特性，主要原理是在 dt 时间内保持阀芯加速度不变，然后计算出阀芯升程，由于空气和燃气流通面积与阀 芯升程有关，所以可以计算出流动中各自的最小流通截面积，就可以通过进出口压 力来求得各个位置的压力值，通过求得的压力值便可计算出阀芯的加速度，然后反 复迭代就可以计算出整个工作过程。图 2.5 为计算流程图。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 图 2.4 比例式混合器受力图 开始 初始化变量，计算 出加速度a的初值 计算结束？ 计算空气和燃气缩 放喷管的理论最小 截面积 否 计算空气和燃气的 质量流量，进而计 算出各处压力值 计算阀芯速度、升 程，以及各截面的 面积 计算阀芯加速度， 并记录数据 结束 是 图 2.5 比例式混合器计算流程图 2.3 计算结果分析计算结果分析 设转速为 1000rpm，lpg 入口处压力为 1.0atm，lpg 的绝热指数为 1.15，lpg 初始密度为 2.1kg/m3，阻尼系数为 6.0，阀芯及膜片质量为 0.08kg，弹簧刚度为 550n/m，弹簧预紧长度为 0.021m，空气入口参数为标准大气参数。汇流处的压力参 照文献12中的压力设置： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 4 8.5 m pe 4 1.0*sin(2 /* ) dm ppet t 计算时间从压缩初始至压缩结束，不考虑换气过程，即时间从 0 至 120/1000s。 用 matlab 编写计算程序。 汇流处压力变化如图 2.6 所示。 00.020.040.060.080.10.12 7.5 8 8.5 9 9.5 x 10 4 时间 (s) 压力 (pa) 图 2.6 汇流处压力变化 最终计算的空燃比为 9.0164，与 lpg 发动机的最佳空燃比 15.4938相差较远， 这是因为该混合器并不是针对 lpg 开发的，本文只是以该混合器为对象对比例式混 合器进行分析。由于没有实验数据，不能判断计算的精确度，但可以根据计算结果 分析其动态过程及各参数变化对其性能的影响。图 2.7 为阀芯升程随时间的变化图， 阀芯升程在 4.92e-3时达到上限值 1.8cm， 并在此之后一直保持不变。 图 2.8、 2.9、 2.10 分别为空燃比、瞬态空燃比、增量流量随时间的变化图。 在这里定义空燃比为从 0 时刻至 t 这段时间内空气的总流量与燃气总流量的比 值。瞬态空燃比为计算时间步长 dt 内空气的流量与燃气流量的比值。增量流量为计 算时间步长 dt 内流过的混合气质量。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 如图 2.12，在整个计算过程中，燃气缩放喷管在阀芯处为最小流通截面积，且 随着阀芯升程的增加，最小流通截面积不断变大，且一直小于理论最小截面积，因 此在最小截面处始终处于音速流动，燃气流量也就不断增大，在升程到达 1.6cm 即 t=4.6e-3时最小截面积就不再变化，此时流量也保持恒定。 如图 2.11 空气流量增量变化图，空气管路的最小流通截面积不断增大，且在汇 流处压力较小的情况下，最小流通截面积始终小于理论最小流通截面积，因此在最 小截面处空气也始终处于音速流动，空气流量也不断增大，但升程到一定程度时， 最小流通截面积为一固定值，空气流量也就到达曲线中的水平值。当汇流处压力继 续增大时，理论最小截面积大于实际最小截面积，因而在最小截面处不再为音速流 动，空气流量仅与进出口的参数有关，因此出现了图中的波动。当假设空气通道在 最小截面处不处于音速流动时，根据式 2.2 可知其流量仅与进出口的参数有关。 00.020.040.060.080.10.12 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 时间(s) 阀芯升程(m) 00.020.040.060.080.10.12 0 2 4 6 8 10 12 时间(s) 空燃比 图 2.7 阀芯升程变化图 图 2.8 空燃比变化图 00.020.040.060.080.10.12 0 5 10 15 时间(s) 瞬时空燃比 00.020.040.060.080.10.12 0 1 2 3 4 5 6 x 10 -5 时间(s) 混合气增量流量(kg) 图 2.9 瞬时空燃比变化图 图 2.10 增量流量变化图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 00.020.040.060.080.10.12 0 1 2 3 4 5 6 x 10 -5 时间(s) 空气增量流量(kg) 00.020.040.060.080.10.12 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 x 10 -6 时间(s) 燃气流量(kg) 图 2.11 空气增量流量变化图 图 2.12 燃气增量流量变化图 根据上面的分析可知，最小流通截面积是一个非常重要的参数。假设在最小截 面处始终处于音速流动，则其计算公式如下： 11 2/2/ 2222 020002 0000 min 11 2(1)2(1) 00 22 11 22 11 kk kk kk kk kk ppppk apa kppkpp a kp kk 由上述公式可知其他参数均为固定值，最小流通截面积只与出口处压力有关， 带入出口压力值便可计算出最小截面积，因此可以得到图 2.13，从图中可以看出最 小截面积随压力升高而先升后降。从图 2.11 可知出口压力对于空气流量也是有影响 的。混合气的总流量与总的计算时间有关。由此可知混合器的工作过程主要与汇流 处的压力和转速（即计算时间）有关。因此下面对这两个边界条件进行计算分析。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 345678910 x 10 4 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 x 10 -3 出口压力 (pa) 最小截面积 (m 2) 图 2.13 最小截面积变化图 2.3.1 汇流处压力对混合器的影响 汇流处压力从 65kpa 至 85kpa，计算结果如图 2.14、2.15、2.16 所示。 从图 2.14 中可以看出，混合气的最终流量随压力的增大而减小，但变化范围比 较窄，这是因为空气通道在大部分情况下在最小截面处为音速流动，非音速流动的 时间较短。因此在选取和设计混合器的时候，应该使空气通道在大部分情况下在最 小截面处为非音速流动，使节气门（即汇流处压力）能够起到改变空气流量的作用。 图 2.15 为空燃比的变化图。从 60-75kpa 空燃比基本保持不变，然后空燃比随着 汇流处压力的上升而下降。从 60-75kpa，由于汇流处压力较小，实际最小流动截面 积小于理论最小截面积，所以在整个计算过程中空气和燃气在最小截面处均处于音 速流动，那么其流通质量也保持不变，因而空燃比不变。80-85kpa，由于汇流处压力 较大，开始对空气流量产生影响，因此空燃比减小。 图 2.16 为混合气增量流量在各压力情况下的变化曲线。由于燃气通道在最小截 面处始终处于音速流动，因此该图也可以视为空气增量流量的变化曲线。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 6570758085 0.054 0.0545 0.055 0.0555 0.056 0.0565 0.057 0.0575 0.058 0.0585 节气门压力(kpa) 混合气最终流量