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哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 环境与能源问题是当今世界关注的两大焦点问题。随着汽车排放法规的 曰益严格，加之能源短缺，使得使用清洁能源和可再生能源成为首选，同时 也对发动机的性能提出了更高的要求。 本文以捷达a t k 发动机结构参数为基础，运用大型通用内燃机工作过程 数值模拟软件r i c a r d ow a v e ，对汽油发动机工作过程进行了数值模拟计 算，并由试验数据验证其可靠性。再把经过验证的汽油发动机模型改燃为燃 用l p g 燃料的模型并对二者进行性能对比分析。然后对l p g 发动机工作过 程进行数值模拟计算，主要对确定工况下l p g 发动机的压缩比、点火提前角、 空燃比、进气迟闭角对发动机动力性、经济性和排放性的影响进行分析。最 后对特定工况下发动机进行优化，确定各项参数耦合作用下发动机的最优值， 为发动机的改进设计和性能优化提供理论依据。 基于上述研究，通过对工作过程的数值模拟可以使l p g 发动机的结构参 数和性能参数达到优化。 关键词：液化石油气；发动机；数值模拟；性能优化 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 a b s t r a c t e n v i r o n m e n ta n de n e r g ya r et w om a i ni s s u e st h ew o r l df o c u so n b e c a u s eo f t h ei n c r e a s i n g l ys e v e r eg a se m i s s i o nr e g u l a t i o na n dt h ee n e r g ys h o r t a g e ，t h e c l e a na n dr e n e w a b l es o u r c e so fe n e r g yb e c o m et h ef i r s tc h o i c e a tt h es a m et i m e ， h i g h e rr e q u i r e m e n t sa r ep u tf o r w a r dt ot h ee n g i n ep e r f o r m a n c e i nt h i st h e s i s ，am o d e lf o re n g i n e sw o r k i n gp r o c e s s ，w h i c hi sb a s e do nt h e s t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fj e t t aa t ke n g i n e ，w a sb u i l t 诵t l lt h eo n ed i m e n s i o n a l d y n a m i cr i c a r d ow a v es o f t w a r e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sm a d ef o rt h e e n g i n e sw o r k i n gp r o c e s sa n dt h er e s u rd a t ap r o v e st h em o d e lr e l i a b l e n u m e r i c a l s i m u l a t i o nw a sa l s om a d ef o rt h el p ge n g i n e sm o d e lf o rw o r k i n gp r o c e s s ，w h i c h i sm o s t l ya b o u tt h ed y n a m i c ，e c o n o m ya n de m i s s i o n sp e r f o r m a n c eo ft h ee n g i n e s c o m p r e s s i o nr a t i o ，s p a r ka d v a n c ea n g l e ，a i rf u e lr a t i oa n di n t a k ev a l v ec l o s ea n g l e f i n a l l y , t h eo p t i m a lv a l u eo ft h ee n g i n eu n d e rs p e c i a lc o n d i t i o n sw a so p t o m i z e d b yt h ec o u p l e dp a r a m e t e r si n f l u e n c e s ，w h i c hp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h e d e s i g ni m p r o v e m e n ta n dp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o no ft h ee n g i n e b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h ，b yn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fw o r k i n gp r o c e s s ， t h ee n g i n ec o n s t r u c t i o na n dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fl p ge n g i n ew o u l db e o p t i m i z e d k e yw o r d s ：l p g ( l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ) ；e n g i n e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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。 作者( 签字) ：丑哲 日期：劲彬7年r 月31 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文 7 日 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着汽车产业的不断发展和扩大，汽车的保有量不断增加。目前全球的 汽车保有量达到8 亿辆，以全球6 5 亿人口计算，平均每8 人就有一人拥有汽 车。预计到2 0 2 5 年全球汽车保有量将达到2 0 亿辆，其中主要增量来自发展 中国家。我国自改革开放3 0 年以来，汽车工业取得了巨大的发展，迄今汽车 产量较3 0 年前翻了5 9 倍，汽车保有量增加了3 4 倍( 比1 9 8 0 年) 。尤其是中 国在加入w t o 以后，国产轿车产量每年以1 0 0 百万辆级规模的速度增长。 截止到2 0 0 8 年9 月底，全国汽车保有量为2 0 0 0 万辆托一，预计2 0 1 0 年全国汽 车保有量可能达到1 亿辆“，。 汽车不仅方便了人类的出行，提高了人类的办事效率，也推动了人类社 会的进步和发展，但汽车对环境所产生的污染，也是继工业污染、化工污染、 人类生活垃圾等污染后又一大严重污染源。据有关统计数据显示，汽车排放 污染物在有些大城市已经占到环境污染的6 0 以上晦，直接危害到人类赖以 生存的环境，危害到人类的身体健康。随着汽车保有量与燃油需求及排放同 步增长。现在汽车用油大约消耗了国内燃油总需求的5 0 ，而对造成温室气 体效应c 0 2 的排放，则大约占了整体排放量的3 0 以上。国际能源机构( i e a ) 的统计数据表明m ，2 0 0 1 年全球5 7 的石油消费在交通领域( 其中美国达到 6 7 ) 。预计到2 0 2 0 年交通用油占全球石油总消耗的6 2 以上。美国能源部 预测，2 0 2 0 年以后，全球石油需求与常规石油供给之间将出现净缺口，2 0 5 0 年的供需缺口几乎相当于2 0 0 0 年世界石油总产量的两倍。与此同时，交通能 源消耗也是造成局部环境污染和全球温室气体排放的主要来源之一。而由于 需求旺盛，2 0 0 8 年7 月份国际原油价格涨到了每桶1 4 7 美元。国内成品油价 格则在6 月2 0 日每吨涨了1 0 0 0 元。之后国际原油价格先跌后涨，异常波动， 令人感到捉摸不定，但从长远看，国际油价仍将会上涨的。所以说能源的多 元化是必然的发展趋势。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为了合理利用能源以及减少汽车的排放污染，代用燃料汽车的研究和应 用日益受到重视。资料表明，最有前途的发动机代用燃料主要有压缩天然气 c n g ( c o m p r e s s e dn a t u r a lg a s ) 、液化石油气l p g ( l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ) 、 液化天然气l n g ( l i q u e f i e dn a t u r a l g a s ) 、甲醇( m e t h a n 0 1 ) 和二甲醚d m e ( d i m e t h y le t h e r ) 、合成轻油g t l 等。特别是l p g ，相对c n g 等其它代用 燃料，其加气站建设简便，储存和运输也比较方便，因此对其的推广应用具 有更加广阔的前景池”。为合理利用能源和减少汽车排放污染、保护环境，汽 车清洁代用燃料的应用研究是非常必要而实用的。根据世界第6 次氢能会议 提供的资料表明，目前选择液化石油气、压缩天然气和甲醇作为汽车代用燃 料比较现实。再次考虑到技术的完善程度、能源密度、能源效率、总的能源 利用率以及成本因素，l p g 是最佳的代用燃料之一。 然而汽油机或者柴油机改装为l p g 发动机，并不是简单的在原有发动机 上改变燃烧的燃料就能获得好的性能，必须在对l p g 的特性、燃烧特征进行 研究的基础上，对发动机的结构、进气系统、点火系统以及其他燃烧参数进 行改进及优化，才能获得良好的性能。这个改进及优化的过程若以计算机建 模计算为依据，则能缩短研究开发周期、减少研究开发费用。因而为了了解 l p g 发动机的动力性能、经济性、排放性能以及具体参数对各项特性的影响， 有必要对l p g 发动机的工作过程进行数值模拟分析。 1 2 l p g 汽车应用发展现状 随着石油化学工业的发展，l p g 作为一种化工基本原料和新型燃料，已 经越来越受到人们的重视c - o ，。l p g 汽车具有能源来源丰富、燃料经济性好、 排污少、发动机使用寿命长、维修费用少、怠速及过渡工况运行稳定等优点， 近年来在世界范围发展迅速。l p g 汽车是当今世界应用最为普及的清洁替代 燃料汽车。 1 2 1l p g 燃料特性 1 l p g 的物理化学性质 液化石油气( l i q u i f i e dp e r o l e u mg a s ，简称l p g ) 是指以丙烷( c 3 h s ) 2 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 及丁烷( c 4 h l o ) 为主体的碳氢化合物的混合物，来源于油井气、石油加工的 副产品和煤制取液体燃料时的副产品等。液化石油气在常温、常压下为气态， 而在o 5 或常温( 1 5 ) 、0 8 m p a 的压力下为液态。液化石抽气的液化较之 天然气液化要容易得多，一般均以液态储运。燃用液化石油气的汽车称为液 化石油气汽车( l p g v ) 。 2 l p g 的燃料特性 车用l p g 的主要成分是丙烷和丁烷，因此丙烷和丁烷的性质决定了l p g 的性质其燃料物化特性如表1 1 所示，。 表1 1 液化石油气和汽油的性质比较 、装 液化石油气 汽油( 9 0 撑) 性质丙烷丁烷 h c 原子比 2 6 72 52 2 3 0 密度( 液相) ( k g m 3 ) 5 2 86 0 2 7 0 0 7 8 0 分子量m4 4 0 9 75 8 1 2 49 6 沸点4 2 10 53 0 9 0 凝固点1 8 7 71 3 8 4 临界温度 9 6 71 5 2 o 临界压力 v i p a 4 2 5 3 8 比热( 液体，沸点) ( k j k g 1 k 1 ) 2 4 82 3 6 比热( 气体，2 5 c ) ( k j k g - 1 k - 1 ) 1 6 71 6 8 密度( 气相) ( k g m 3 ) 2 0 22 5 9 8 理论空燃比质量比 1 5 6 51 5 4 31 4 8 体积比 2 3 8 l3 0 9 58 5 8 6 高热值( m j m 3 ) 9 5 2 91 2 5 5 5 低热值( m j m 3 ) 8 7 6 91 1 5 5 6 高热值( m j k g - 1 ) 5 0 3 84 9 5 6 低热值( m j k g - 1 ) 4 5 7 74 6 3 94 3 9 0 混合气热值( m j m 3 )3 4 93 5 23 7 3 混合气热值( m j k g - 1 ) 2 7 92 7 9 低热值( 液态) ( m j l 1 ) 2 7 0 02 7 5 5 辛烷值r o n 1 1 1 5 9 5 9 2 着火极限 2 2 - 9 51 9 8 51 3 7 6 着火温度( 常压下) c 4 6 64 3 03 9 0 4 2 0 火焰传播速度( c m s ) 3 83 73 9 4 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 l p g 作为汽车燃料的优点 1 )尾气排放中不含铅和苯，硫含量极微。与汽油相比，h c 减少 6 0 0 0 ，c o 减少8 0 0 0 9 0 ，n o x 减少3 0 0 0 - 4 0 c 0 2 减少2 0 - - - 3 0 ，噪 音降低4 0 ，大大减轻了对环境的污染，故当之不愧地被称为“洁净能量”。 2 )抗爆震性好。l p g 辛烷值达1 0 3 1 1 0 ，远高于汽油，有利于增大 燃气压缩比，提高发动机的动力性能。 3 )燃料以气态进入气缸，燃烧较充分，热效率高，积炭少。这使发 动机的大修期延长3 0 , - 4 0 ，使润滑油更换周期延长5 0 ，降低了维护费用 和运行成本。 4 )采取了多项有效的技术措施和设施，使燃气在完全密闭的系统中 运行，比汽油安全。l p g 汽车从投入使用至今未见爆炸记录。 5 )比使用汽油便宜。具体经济指标需视当地l p g 供应价与汽油价格 之差而定。大体上说，可使汽车用户节省1 0 1 5 的燃料费，而对于l p g 充气站的投资者来说，大约1 年半能收回全部投资。 然而，液化石油气汽车也有其不足之处。l p g 的燃烧特性与汽油相比有 诸多的不同，它以气态进入气缸，着火温度高，燃烧速度慢，特别是汽油l p g 双燃料汽车有一个显著的问题就是燃用l p g 后汽车的动力性能下降n ”。以日 本最早开发液化石油气汽车的丰田公司为例，据其1 9 9 8 年的介绍，将皇冠中 的c o m f o r t 型轿车改为单燃料的液化石油气汽车后，最大功率田9 7 k w 减少 为7 9 k w ，动力性下降了2 2 8 左右，原因在于为保证低速大转矩与燃用汽 油时基本持平，不得已只得牺牲高速动力性。德国大众汽车公司曾将不同车 型的1 2 辆奥迪轿车由汽油车改装成液化石油气汽车，与燃用汽油时相比，改 装后的发动机动力性能平均下降了6 6 ，其功率下降了6 6 ，比油耗增加 了2 2 ，n o x 增加了1 7 。上海大众汽车公司将桑塔纳发动机改装成双燃 料车，并与多种l p g 供气系统进行了匹配试验。即使与较好的国外进口l p g 供气套件相配，燃用l p g 与燃用汽油相比最大转矩仍下降6 5 左右，最大 功率下降1 4 左右。我国第一汽车制造厂在原c a 6 1 0 2 汽油机的基础上生产 了c a 6 1 0 2 汽油l p g 双燃料发动机，其性能见表1 2 ，发动机的压缩比提高 后，发动机燃用l p g 时的最大功率有了显著的提高，但在相同的压缩比下燃 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 用汽油时的最大功率比燃用l p g 燃料要高。 表1 2c a 6 1 0 2 双燃料发动机性能指标 压缩比 6 97 27 6 燃料汽油 l p g 汽油l p g汽油l p g 额定功率( k w ) 9 99 11 0 l9 31 0 59 7 3 0 0 0 r p m 最大转矩( n m ) 3 7 33 4 33 7 53 4 53 7 93 6 2 1 2 8 0 r p m 最低比油耗( g r o w h ) 3 0 62 8 33 0 02 8 22 9 52 8 0 终上所述，目前在世界范围内对l p g 汽车动力性问题仍然没有太好的解 决办法。液化石油气汽车动力性问题已经成为推广液化石油气汽车使用的一 个重大障碍。此外，与汽油相比，液化石油气的黏度低，这使得进气门和气 门座的润滑和冷却状况恶化，使进气门和气门座磨损较大，从而造成发动机 的动力损失。这些问题都还有待解决，因此，本文还有必要对液化石油气发 动机进行更深入的研究。 1 2 2 国内外l p g 汽车的发展现状 早在1 9 1 2 年，l p g 已用作汽车燃料，但并不普遍。2 0 世纪7 0 8 0 年代 的能源危机，促使美国和加拿大等发达国家开始致力于解决减轻对原油的依 赖问题，于是l p g 逐渐成为一种较普及的车用替代燃料，在交通领域得到越 来越多的应用。由于世界l p g 汽车绝对数量的大幅增加，1 9 9 0 年至2 0 0 3 年， l p g 车用燃料在世界交通燃料市场中所占的份额也在不断增加。目前，全世 界已有超过5 4 个国家采用了l p g 汽车，总数接近1 5 0 0 万辆。 发达国家l p g 汽车数量一直稳定增长，主要是因为这些国家具有先进的 技术水平和雄厚的财力支持，使更广泛采用符合高排放标准的l p g 车成为可 能。在一些新兴国家或地区，如韩国、波兰、保加利亚及墨西哥等，近年来 也大力推广使用l p g 汽车。据2 0 0 3 年由世界液化石油气协会( w o r l dl p g 锯 a s s o c i a t i o n ，w l p g a ) 出版的全球液化石油气统计回顾上的数据显示， 截止到2 0 0 2 年底，全世界共有9 0 1 万辆汽车使用l p g 燃料。其中，韩国的 l p g 车数量为1 6 2 5 千辆，处于世界领先水平；意大利1 3 5 万辆，处于世界 第二位；土耳其1 0 0 万辆，紧随其后。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 韩国的l p g 消费量于2 0 0 3 年达到了3 7 4 万吨，超过日本、意大利成为 世界车用l p g 第一大消费国，澳大利亚、土耳其、墨西哥也超过了1 0 0 万吨。 东欧一些国家、英国、香港等国家或地区近年来也发展迅猛。 我国的天然气资源十分丰富。在全国第二轮油气资源评价结果中，我国 常规天然气的总资源量为3 8 万亿立方米，按照当前的技术水平和经验，最终 可探明天然气地质储量约为1 3 2 万亿立方米。目前，已探明的天然气地质储 量仅占总资源量的8 。 据国家统计局数据显示：2 0 0 6 年中国l p g 总产量为1 6 1 3 7 万吨，位居 世界第三，与2 0 0 5 年同比增长了5 4 。2 0 0 7 年1 7 月全国l p g 累计产量为 1 1 1 0 9 万吨，同比增长6 1 。 表1 3 为2 0 0 1 年至2 0 0 6 年间国内部分城市l p g 基础设施的保有量的统 计数据，l p g 基础设施保有量几乎是逐年增加的。 表1 32 0 0 1 2 0 0 6 年全国部分城市l p g 基础设施保有量统计数据 l p g 起初 设施( 座) 2 0 0 l2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 6 北京5 l6 66 66 92 83 0 上海8 41 0 31 0 31 0 51 1 27 7 天津6l l1 11 21 0 海南 44 33 1 济南88776 沈阳1 01 l1 6 丹东34 9 广州 691 42 12 8 兰州 999 青岛 1 01 41 71 91 4 银川 5665l 四川 3333 3 乌鲁木齐2 53 0 3 4 3 3 3 1 加气站的迅速增加为l p g 车的发展奠定了良好的基础。表1 4 为 2 0 0 1 - 2 0 0 6 年全国部分城市l p g 车保有量统计数据。 截至2 0 0 5 年6 月底，上海l p g 出租汽车保有量已达3 8 7 0 9 辆，占出租 汽车总保有量的9 3 ，已建加气站1 1 2 座。目前全国l p g 汽车已达1 1 5 万 辆，l p g 加气站3 5 5 座( 以上仅为全国1 7 个重点推广应用城市统计数据) 。 6 表1 42 0 0 1 2 0 0 6 年全国部分城市l p g 车保有量统计数据 l p g 车保 2 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 6 有量( 万辆) 北京 3 5 53 54 6 6 1 33 2 4 1 22 4 2 3 l1 5 8 9 上海 3 1 3 7 5 3 6 0 7 3 8 0 73 9 0 43 9 0 43 天津 0 0 4 60 0 3 6o 0 80 0 7 60 0 8 50 0 2 海南 o 0 3 1 10 0 2 80 0 3 100 0 5 1 50 0 1 济南 0 2 0 2 4 0o 1 6 沈阳 0 4 10 6 9 51 1 8 7 5 丹东 0 1 1 9 70 1 5o 2 5 1 3 广州 0 4 1 4o 7 l l0 9 7 5 60 7 31 4 32 4 兰州 0 1 4 7 90 0 3 2o 0 1 9 3 青岛 0 3 3 7 40 3 5 0 60 4 5 2o 1 2 银川 o 10 。1 30 1 4 3 60 1 4 3 90 。0 0 2 四川 0 0 0 0 60 0 0 90 0 4 7 1o0 0 4 7 10 0 0 3 乌鲁木齐 0 1 7 30 3 6 70 3 7 7 4o0 3 4 8 80 3 2 2 5 在1 9 9 6 - 2 0 0 6 年间，全球l p g 产量年均增长2 9 ，消费量年均增长3 1 。 从地区看，亚洲是世界l p g 需求和消费增长最快的地区，年均消费增长率为 5 7 ，而西欧和北美地区的增速则最低。目前，中国已成为世界上l p g 消费 增长最快的国家。从全球的l p g 贸易流向看，东亚和南亚是l p g 的主要进 口地区，中东和非洲是l p g 的主要出口地区，美洲基本保持供需平衡。 惯坐标单位羞辱 i 坐触位是万蔫 图1 11 9 9 9 年到2 0 0 6 年全国燃气车保有量 2 0 0 6 年，中国l p g 总消费量与商品消费量分别为2 1 3 3 6 9 万吨和2 0 1 9 1 2 万吨，成为世界上第二大l p g 消费大国。图1 1 为1 9 9 9 年到2 0 0 6 年间的国 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 内燃气汽车保有量统计图，从1 9 9 9 年开始燃气汽车保有量呈逐年上升的趋 势，尤其在2 0 0 3 年之前增长速度很快，2 0 0 3 年的保有量接近1 9 9 9 年的十倍 左右。可见，燃气汽车在全国范围内得到了广泛的应用。 1 2 3l p g 汽车技术的发展现状 l p g 发动机技术大致经历了三个发展阶段：第1 代为l p g 普通气化系统， 第2 代为l p g 电子控制气化系统，第3 代为l p g 电控喷射系统。近年来得 到更快发展的是电控喷射预混的l p g 系统 1 3 , 1 4 。 第1 代产品，一般不对发动机本体作任何改进，在技术上要求较低，其 主要缺点是无法对l p g 供气量实现精确控制，如图1 2 所示。第1 代产品仅 能使汽车燃用l p g 而己，与采用电控带三元催化的汽油发动机相比，在排放 上不具有任何优势，所以在这方面基本上己失去进一步研究的价值。 i ip g 魇墨2 l p g 电蠢截止闵3 ，4 一发动机冷却蒗进出口5 一l 踞蒸发毫+ - - m 合t h 匕油蕃卜汽油电蒜截止闷 卜转换开关i o - 书油箱 ll 钥匙开关 图1 2 国内采用的第一代典型的双燃料供气系统 第2 代产品，将发动机的转速、进气管压力及废气中的氧含量等信号传 送到电子调节器，电子调节器将发出调节信号至控制电磁阀或其他流量控制 装置( 如步进电机) 来控制l p g 的供应量，而后在混合器中与空气混合，类 似于汽油机中的电控化油器阶段，如图1 3 所示。因根据不同工况较准确地 控制l p g 的供应量，故能达到较好的排放效果，但存在着功率下降较大的不 足n o 8 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 1 l p g 储罐 2 火花塞 卜蒸发调节器 4 一发动机冷却液进出口 5 混合器 6 低压l p g 软管 7 二高压l p g 软管 8 一_ i 气油单点喷油器 卜氧传感器 1 0 - - 汽油用电子控制单元 l 卜_ l p g 用电子控制单元 】2 数字式线性执行器 ( 步进电机) 图1 3 电子控制气化系统 第3 代产品在发达国家已开始采用，并使l p g 汽车在排放上比汽油机更 具有优势。它可分为气态喷射和液态喷射、缸外和缸内直接喷射、开环和闭 环等不同方式。这也是目前国内着力研究与开发的产品。据文献指出，气态 进气道喷射具有较好的性能和技术难度小等特点n ”。 l p g 发动机，其工作原理和汽油机一样，但发动机结构参数的优化与性 能的合理匹配是在以l p g 为燃料的情况下确定的。在意大利、荷兰、芬兰、 日本等西方发达国家，由于政府的大力支持和鼓励，l p g 在发动机上的应用 已经取得长足的发展，并且主要采用电控l p g 气态或液态喷射、稀薄燃烧、 e g r 、三元催化等发动机研究与制造领域内的新技术。 在国内，推广应用燃气汽车起步较晚，发展一直较慢。直到最近几年， 因受环境污染压力等多种因素所迫，国内的燃气汽车技术才得到大力发展。 国内近年来对l p g 发动机的研究概括起来主要涉及四个方面的研究内容：双 燃料发动机及其供应系统；l p g 发动机的排放；电控喷射技术应用于l p g 发 动机；改善l p g 发动机动力性研究 i t , i s ，。 1 3 发动机数值模拟技术概述 “模拟 是对真实系统( 物理系统) 在不失其物理本质特征的前提下所 作的一种合理简化与高度概括。发动机数值模拟计算，就是从发动机各系统 的物理化学模型出发，综合运用热力学、流体力学、传热学、化学反应动力 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 学和数值计算等学科的知识，用微分方程对各系统的实际工作过程进行数学 描述，然后编制计算程序，用电子计算机数值求解微分方程，以求得各参数 随时空的变化规律。计算中可以考虑气缸内的热力过程、传热过程、燃气性 质、气体流动、充量更换过程、废气涡轮增压器的特性及其与发动机的配合 等问题，使得数值模拟技术在发动机的设计及发动机特性研究中发挥着越来 越重要的作用。 1 3 1 发动机数值模拟技术的发展 “模拟”在发动机工作过程的理论分析及指导发动机发展方向中的应用 己有较长的历史。应用数值模拟来估计发动机的动力性和效率，可追溯到1 9 世纪末发动机发展的初期，可把这一历史看成是发展更接近实际发动机工作 过程的近似计算方法以及发展计算发动机所用工质热力性质的更精确的计算 方法：在计算过程中逐渐可以考虑由发动机运行状态所决定的内部过程，如 燃烧过程、气体流动过程、熟交换过程等；也可以更加准确地描述燃烧前和 燃烧后的混合气的热力性质，使得模型能够更加准确的反映发动机的实际工 作过程。 英国的d u g a l dc l e r k ( 1 5 5 4 1 9 3 2 ) 于1 8 8 2 年用空气标准循环分析技术 比较了各种发动机的热效率，被认为是发动机工作过程模拟的首创者。1 8 9 3 年1 8 9 6 年，德国的r u d o l p hd i e s e l ( 1 8 5 8 1 9 1 3 ) 提出了一系列发动机循环 模型，用于发动机的热力过程计算。一但此后的几十年中，在这方面并没有 重大的突破，研究工作主要集中在改进未燃和已燃混合气热力性质的计算精 度上。在2 0 世纪6 0 年代中期以前，发动机工作过程的计算基本上还是建立 在理论循环的基础之上，发动机的三大计算，即热计算、动力计算、强度计 算只是一种辅助性的校核计算，由于缺乏现代化的计算工具，当时的设计者 不锝不做出许多脱离实际的简化假设，以使计算得以进行。由于在计算中不 考虑实际的换气过程、燃烧过程、传热过程，所以只能做粗略的估算，计算 结果的精确性在很大程度上依赖于经验参数的选取n ”。这些模型未能概括很 多在实际物理过程中所涉及到的复杂因素，因而对发动机的研制所起的指导 作用十分有限。 1 0 哈尔滨下程大学硕士学位论文 随着计算机应用的普及、计算数值方法和c f d 等学科的日益成熟，发动 机数值模拟得到了较快的发展，取得了令人耳目一新的进展啪，具体体现在： 可以考虑由发动机运行状态所决定的内部过程，建立比较符合实际的物理模 型，并依靠电子计算机快速求解，得出定量的结果。应用工作过程数值计算 可进行以下工作： 1 预测发动机的性能。进行多方案比较，以获得最佳手机方案。性能预 测的内容很多，如预测发动机的标定工况性能，部分工况的运行特性，增压 发动机的瞬态特性( 变负荷时的响应特性) ，大气状况改变时发动机的性能， 以及有害排放物( n o x 、h c 、c o 等) 的预测等。 2 设计参数的优化。通过模拟计算可以研究各种结构参数、热力参数以 及运转参数对发动机性能的影响，并寻求最佳值乜“。 3 在发动机调试阶段，利用工作过程的数值计算，可以揭示试验中没有 测量或不可测量的参数大小，指明参数的调整方向，从而减少试验工作量， 缩短调试周期。 4 多维数值模拟能够提供空间任意位置和任意时刻的速度、压力、温度 和组分浓度分布，在此基础上进行理论分析，可以为改进发动机结构提供预 见性的指导协，。 汽车工业的飞速发展，对汽车的环保、安全、经济性能等方面都提出了 越来越高的要求，促使我们对发动机的研究越来越深入，涉及的范围越来越 广泛。借助于数值模拟技术对发动机的工作过程进行模拟计算，对于缩短产 品研发周期、提高产品设计质量、降低产品的研发成本等起到事半功倍的效 果。 1 3 2 发动机数值模拟技术的应用 随着人们对发动机数值模拟技术认识的不断深入，各国工作者对发动机 数值模拟开展了很多研究工作，从物理模型的简化，数学模型的建立到计算 方法的改进和后处理技术的完善都取得了很大进步，数值模拟技术正日趋走 向成熟。目前，发动机工作过程模拟主要朝两个方向发展：一是发展和完善 实用的发动机工作过程模拟的相关模型和计算方法，为发动机的研制开发提 哈尔滨工程大学硕士学位论文 供可、便利的工作平台：二是利用各种先进的测试诊断设备和合理的假设推 理建立发动机的多维工作过程数学模型，为人们正确认识发动机的燃烧机理 进而更好地控制燃烧过程提供理论依据。发动机工作过程模拟的发展可以追 溯到早期用计算机模拟发动机的放热规律。自6 0 年代以来，随着电子计算机 的出现和广泛采用，使得内燃机热力循环模拟成为可能。 1 9 世纪6 0 年代末，r s b e n s o n 利用一维模型计算气道中的气体流动， 获得成功田1 ；2 0 世纪8 0 年代，世界许多高校自主开发了发动机数值模拟软件， 如英国曼切斯特理工大学的m k 1 4 源代码。2 0 世纪9 0 年代初，一批商用发 动机数值模拟软件的开发，如奥地利a v l 公司b o o s t 、英国g a m m a 公司 的g t - p o w e r 、美国西南研究院v i p r e 、r i c a r d o 公司的w a v e 等，标志 着发动机数值模拟己达到了实用化的程度。这样，使燃烧模拟成为燃烧研究 的又一有效手段，成为实验研究的一种重要补充。1 9 9 4 年，j c d e n t 和a c h e n 进行了弯曲进气道内稳态流动的试验和计算研究，他们采用s t a r - c d 程序预 测了受可变气门升程和气道形状影响的流场结构，并验证了模拟结果的可行 性恤钉；a u g u s t oc m m o r a e s 和j e f f r e yc b u e l l 等提出基于有限元方法的解决缸 内非稳定流的新的数值模拟策略啪，；j e r a l da e a t o n 采用三区热力学模拟的方 法对点燃式发动机的燃烧过程进行模拟计算，分析了燃烧效率参数对氮氧化 物形成的影响啪1 。y o s h i h i r os u k e g a w a ，t o s h i h a r un o g i ，y u s u k ek i h a r a 等人开 发了一个计算流体力学程序，对缸内流动进行分析，该程序运用准直接模拟 法来处理湍流问题，所以能够详细描述瞬态的湍流漩祸运动，用统一的正方 体网格对研究区域进行离散，通过试验对模拟结果进行验证，计算与试验结 果取得了很好的一致性阱，。2 0 0 2 年，i y a v u z 和i c e l i k 用多区燃烧模型进行 了敲缸预测，对发动机爆震问题的研究做出了贡献i 龃1 ；2 0 0 4 年，u g u rk e s g i n 应用a v l 的b o o s t 和f i r e 软件对发动机进排气系统进行模拟研究，并对其进 行优化设计脑，。 中国科学工作者也在发动机数值模拟方面进行了大量的研究。天津大学 燃机国家重点实验室于1 9 8 9 年提出了一个新的直喷式柴油机现象学模型，对 柴油机的准维模型发展出重要贡献。此外，西安交通大学内燃机教研室也对 内燃机燃烧模型的发展做出了许多工作，他们在燃机的燃烧模拟，内燃机结 1 2 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 构参数的改进和有害排放成分的预测等方面都有研究，并取得了一定的进在 国内处于比较领先的地位。如：李隆键等人应用c f d 对具有两个进气道的 j l 4 7 5 发动机气道内三维可压缩湍流流动进行了数值模拟，得出了气阀在不 同升程下的进气流量系数，并将计算结果与试验结果进行了比较分析，得到 了很好的一致性；韩义勇等人用c f d 软件对直喷柴油机螺旋进气道进行了 三维数值模拟，通过气道稳流试验对模拟计算得到的两项评价参数进行验证， 得出两者趋势吻合良好的结论扣i 】项里程等人应用b o o s t 软件建立电喷发动 机加速工况的完整模型对发动机加速工况进行模拟，并对模拟结果进行了试 验验证，模拟结果具有较高的精度m ，；此外，国内学者对发动机内部工质流 动特性、发动机的燃烧产物、着火稳定性等方面也进行了研究，并根据模拟 结果进行优化设计，为发动机中众多问题的研究和解决提供了有利的手段。 综上所述，国内外无论是对柴油机还是汽油机的发动机数值模拟技术的 研究已经取得了很多方面的进展。但是对于燃气发动机，由于其性能与前两 者并不完全相同，所以对燃气发动机模拟技术也需要进行更深入的研究。而 且随着现在人们对发动机的动力性、经济性和排放性标准的日益提高，对于 发动机模拟技术的发展也提出了更高的要求，需要进一步完善发动机模型的 精确性，对发动机的研究与开发提供有力的支持。 1 4 本文主要研究工作 1 4 1 本文主要研究目的 l p g 在汽油机上正得到不断的推广和应用，为了使发动机在燃用l p g 时 的性能得到最大的发挥，应该对影响发动机性能的结构参数、运行参数进行 分析、研究，以确定发动机燃用l p g 时的最佳工况点。然而，目前对l p g 的研究大多还是以对比试验为主，而在对比试验中发动机的结构参数和运行 参数没有进行任何调整。因此，无法确定发动机参数是否使发动机燃烧l p g 燃料时的性能得到应有的发挥。 本文主要利用完善的数学模型，建立捷达a t k 发动机燃烧l p g 燃料的 工作过程模型，对发动机的工作过程进行模拟计算，研究燃烧l p g 燃料时发 哈尔滨工程大学硕士学位论文 动机的参数对发动机性能的影响，确定该发动机在燃烧l p g 混合燃料时性能 得到最大发挥时所对应的参数。 1 4 2 本文主要研究内容 本文利用r i c a r d ow a v e 软件建立捷达a t k 发动机燃烧汽油的工作模 型，对发动机燃烧汽油的工作过程进行模拟计算，并通过试验数据对模型进 行修正并验证模型的可靠性。在a t k 汽油发动机原机模型可靠的基础上，对 发动机改燃l p g 燃料，并与汽油机对比其性能的改变。再对l p g 发动机的 工作过程进行变参数研究，确定发动机各项参数对其性能的影响，整合出适 合改l p g 发动机的相关参数。具体研究内容如下： 1 分析研究捷达a t k 汽油发动机原机性能，通过资料查阅和实际测量 获取建模过程中所需要的参数。 2 根据捷达a t k 发动机结构，利用r i c a r d ow a v e 软件构建a t k 发 动机燃烧汽油的工作过程模型，通过试验数据对模型的相关参数进行修正并 验证模型的可靠性。 3 在模型可靠的基础上，使原汽油发动机改燃l p g 燃料，并对二者的 工作过程进行计算，对比分析二者的性能改变。 4 对a t k 发动机燃烧l p g 时的工作过程进行变参数研究，确定压缩比、 点火提前角等参数对发动机综合性能的影响及规律，寻求提高发动机性能的 可能途径，确定捷达a t k 发动机燃烧l p g 时的最佳工况点。 5 通过对点火提前角、进气门迟闭角、空燃比、压缩比等参数为变量， 以发动机最大转矩为目标对发动机的工作过程进行多参数优化。 1 4 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 第2 章发动机的数学模型与计算 发动机工作过程数值模拟技术包括物理化学模型的建立和选择、计算区 域离散、控制方程离散和代数方程求解以及对计算结果进行后处理等几个方 面。本章主要介绍了对捷达a t k 发动机工作过程数学模型的建立过程。从发 动机各系统的物理模型出发，结合r i c a r d ow a v e 软件，用微分方程对各 系统的实际工作过程进行数学描述。计算中需要考虑到气缸内的热力过程、 燃烧、传热、机械损失、热网络模型机进排气管内的一维流体运动等问题， 以便使计算结果更能符合实际情况。 2 。lr i c a r d ow a v e 简介 本文采用的r i c a r d ow a v e 软件，是由里卡多公司开发的用于发动机 系统设计分析和仿真的计算机辅助计算专业软件。同g a m m at e c h n o l o g i e s 的 g t - p o w e r 、a v l 的b o o s t 一样，w a v e 也是基于管内或有限容积的一维 流动理论来实现计算流体力学与和热力学的时域求解。主要用于汽车发动机 的动态特性仿真，性能分析和结构力学性能分析。无论是新机型设计，原有 机型改造还是发动机( 包括与传动系) 系统的集成，都可以从这些软件的使 用中得到非常有益的参考结果。其还为世界主要的汽车o e m 商大量使用， 如：m e r c e d e r s 、b m w 、v o l k s w a g e n 、v o l v o 、t o y o t a 、h o n g d a 、g m 、r e n a u l t 左盘 奇o w a v e 能够进行发动机燃烧性能分析、发动机及零部件的运动学和动力 学的仿真，可以实现发动机全工况范围内的仿真。其中某些工况是台架试验 不易实现的，这样就可以省去大量的人力物力，因此w a v e 被许多发动机研 究机构广泛地运用于发动机的性能验证和检验，为改进发动机性能提供基本 的数据支持。w a v e 提供了v e c t i s ，s t a r - c d ，f i r e 和f l u e n t 等c f d 软 件的接口，可以实现对发动机内部具有复杂几何形状部件的三维仿真。同时， w a v e 可以作为模块嵌入m a t l a b s i m u l i n k 中，实现联合仿真。 w a v e 所包含的组件有：w a v e b u i l d 、w a v e p o s t 、w a v ek n o w l e d g ec e n t e r 、 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 w a v e m e s h e r 、w n o i s e 、d i e s e l 3 dp r e 、d i e s e l 3 dp o s t 。 w a v e 可以根据需要产生二维或者三维的曲线和图形结果，并可以进行 快捷的曲线处理。另外还可以通过文本文件格式输出一些重要的数值数据。 还有一些其他媒体形式的输出，比如动画和声音文件等等。 w a v e 的具有如下显著的优点： 1