（机械电子工程专业论文）分层稀薄燃烧lpg液态喷射发动机缸内混合气形成过程的数值解析.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 液化石油气( l p g ) 因其良好的燃料特性和低污染气体排放已成为优良的汽车代用 燃料之一。但目前广泛应用的采用气态l p g 燃料供应方式的发动机与原汽油机相比，普 遍存在动力性下降的缺点，而采用进气道多点液念l p g 喷射( m p l i ) 可有效解决这个 问题。但是目前l p g 液态喷射发动机几乎都采用预混合均质燃烧方式，在部分负荷时燃 料经济性并不理想，应用分层稀薄燃烧技术是提高部分负荷经济性最有力的措施之一， 发动机的热效率可提高1 0 1 5 。本文以数值模拟和纹影实验为主要的研究手段，详 细考察了喷嘴内部的流动、液态l p g 的喷雾发展过程、在进气歧管内的反射过程以及缸 内分层混合气构造的形成过程。 液态l p g 喷嘴内部的气穴现象对其喷雾的发展过程有着非常重要的影响。因此，本 文首先建立了描述液态l p g 燃料性质的1 3 种物化参数的数据库并编译导入通用c f d 软 件f i r e8 5 ，在验证了其解析方法可行性基础上，数值解析了液态l p g 喷嘴内部在不同 喷孔形状时的气穴现象，考虑了气穴生成的位置、喷孔出口处的燃料蒸汽体积分数的分 布、压力和流速等，这些参数为解析喷嘴外部的l p g 喷雾发展过程提供了包括喷孔初始 的液滴半径、出口流速、压力等必要的初始条件。 将喷嘴内部流动过程的解析结果作为计算的初始条件，对原f i r e 8 5 中的喷雾模型进 行了修正、在蒸发方程中增加了由于燃料过热度而引起的蒸发量变化的项之后，数值解 析了液态l p g 的喷雾发展过程以及在进气歧管模型内的反射过程。并且与光学纹影实验 结果进行了比较，验证了解析方法的可行性。在这个基础上，进一步考察了不同喷射压 力时的l p g 喷雾贯穿距离和索特平均直径( s m d ) ，可以知道减压沸腾现象发生时，离 开喷孔出口的液滴的索特平均直径( s m d ) 迅速减小。 基于上述研究的基础上，本文提出了一种电控液态l p g 喷射发动机通过采用前端向 内弯曲的进气道和向内呈渐缩形布置的隔板，同时配合使用凹面弯曲活塞顶的结构实现 分层稀薄燃烧的方法。对l p g 发动机部分负荷下的分层混合气形成过程进行了数值模 拟，并通过与实验结果对比的方式验证了所提出的数值解析方法的可行性。通过缸内速 度矢量图和燃料浓度场分布图，分析了缸内滚流和混合气分层构造的形成过程。结果表 明，滚流在压缩行程初期形成，浓混合气在滚流的带动下沿缸壁上行，压缩行程接近终 了时，浓混合气到达火花塞附近，背离火花塞附近的区域，混合气浓度逐渐降低，从而 形成分层混合气构造。此时，虽然燃烧室中心区域依然残存部分滚流，但其它区域滚流 山东建筑大学硕士学位论文 已经畸变、破碎成众多小尺度涡流。进一步研究了缸内滚流强度、燃料喷射期和燃烧室 形状对混合气形成的影响，并根据数值解析的结果，确定了形成分层混合气构造最优的 燃烧室形状、阀门升程曲线和燃油喷射期，为液态l p g 喷射分层稀薄燃烧发动机的研发 提供了可行的理论依据。 关键词：l p g ，数值模拟，气穴现象，可视化，喷雾，滚流，分层稀薄燃烧 山东建筑大学硕士学位论文 n um e r i c a ls i m u l a t i o no fm i x t u r ef o r m a t i o nf o rl p g l i q u i di n j e c t i o n l e a nb u r ne n g i n e g e n gd e q i a n g ( m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yx ub o y a n a b s t r a c t l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ( l p g ) h a sb e e nc o n s i d e r e do n eo ft h ee x c e l l e n ta l t e r n a t i v e v e h i c l ef u e l sf o ri t sl o w e rf u e lc o s ta n dl o w e re m i s s i o n sc o m p a r e dw i t l lt r a d i t i o n a lp e t r o l e u m f u e l s c o m p a r i n gt ot h eo r i g i n a lg a s o l i n ee n g i n e ，am a i np r o b l e mo ft h em o s tc o m m o nb e i n g u s e dl p ge n g i n e ，c o n v e r t e df r o mt h eg a s o l i n ee n g i n ew i t ham i x e ro rag a s e o u sp h a s e i n j e c t i o nf u e ls u p p l ys y s t e m ，i st h ep o w e rl o s s i nc o n t r a s t ，m u l t i p o r tl i q u i dp h a s el p g i n j e c t i o n ( m p l i ) s e e m st ob eab e r e rc h o i c eo ft h ef u e ls u p p l ys y s t e ms i n c ei tw i l ln o tb r i n g s u c hap r o b l e m a tp r e s e n t ，t h el p g e n g i n ew i t hl i q u i dp h a s ei n j e c t i o ns y s t e ma l le m p l o yt h e h o m o g e n o u sc h a r g ep r e m i x e dc o m b u s t i o n ，w h i c hi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e a s o nf o rt h e b a df u e le c o n o m yu n d e rp a r tl o a d w h e r e a st h el e a nb u r ni so n eo ft h ep o w e r f u lm e t h o df o r i m p r o v i n gf u e le c o n o m yu n d e rp a r tl o a dw h i c hc a ni m p r o v et h et h e r m a le f f i c i e n c yb y10 ，、。 l5 t h e r e f o r e ，t h em i x t u r ef o r m a t i o np r o c e s so fl e a nb u ml p ge n g i n e ，i n c l u d i n gt h e c a v i t a t i o np h e n o m e n o ni n i n j e c t o r o fl i q u i d p h a s el p ge n g i n e ，f u e li n j e c t i o n ，w a l l i m p i n g e m e n ta n di n - c y l i n d e rm i x t u r ew e r ed e t a i l e di n v e s t i g a t e du s i n gt h em u l t i d i m e n s i o n a l n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e v i s u a l i z a t i o nm e t h o di nt h i sp a p e r c a v i t a t i o np h e n o m e n o nf o r m e di n s i d ei n j e c t o rh a ss i g n i f i c a n te f f e c to nl i q u i dp h a s el p g s p r a y t h ep r e s e n tp a p e rf o c u s e do ni n v e s t i g a t i n gt h ec a v i t a t i o nf o r m a t i o ni ni n je c t o rn o z z l e h o l eu s i n gf i r e 8 5c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) c o d e ad a t a b a s ew a sb u i l ta n d i m p o r t e di n t ot h ec o d et od e s c r i b et h el p gf u e lp r o p e r t i e si nt h ec o d e h a v i n gb e e nv a l i d a t e d t h ec o m p u t m i o n a lm e t h o d ，t h ef o r m a t i o no fc a v i t a t i o nw a ss i m u l a t e du s i n gt h ef i r e 8 5i n d i f f e r e n ti n j e c t o rn o z z l eh o l e s i nt h es i m u l a t i o n ，t h ep a r a m e t e r so ft h ev a p o rv o i df r a c t i o n ，t h e p r e s s u r ea n dv e l o c i t yd i s t r i b u t i o na tt h en o z z l eh o l eo u t l e ta n dt h ec a v i t a t i o nl o c a t i o nw e r e i n v e s t i g a t e d ，w h i c hc o u l dp r o v i d et h ec o m p u t a t i o n a lc o n d i t i o n sf o rs p r a ys i m u l a t i o no u t s i d e t h ei n j e c t o r t h ei n i t i a lc o n d i t i o n su s e di nt h es p r a ys i m u l a t i o nw e r ep r o v i d e db yt h er e s u l t so b t a i n e d i i i 山东建筑大学硕士学位论文 b yi n t e r n a lf l o ws i m u l a t i o n t h es p r a yo fl i q u i dp h a s el p ga n d i t sr e f l e c t i o ni ni n t a k em a n i f o l d w e r es i m u l a t e du s i n gf i r e 8 5 t h ec o d ec o n t a i n e dam o d i f i e de v a p o r a t i o ne q u a t i o nw h i c h w a sa d d e da ni t e mt od e s c r i b et h ee v a p o r a t i o nc a u s e db ys u p e r h e a ta f t e rt h el i q u i dp h a s el p g w a si n j e c t e do u t t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ev a l i d a t e db yc o m p a r i n gw i t ht h er e s u l t so b t a i n e d b ys c h l i e r e ne x p e r i m e n t t h ev a r i a t i o n so fs p r a yt i pp e n e t r a t i o na n ds m du n d e rd i f f e r e n t i n j e c t i o np r e s s u r e sw e r ef u r t h e ri n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es m dw a sr e d u c e d r a p i d l yw i t hf l a s h i n go ft h el i q u i dp h a s el p g c a u s e db ys u p e r h e a t am e t h o do fl e a ns t r a t i f i e dc o m b u s t i o nw a sp r o p o s e df o re l e c t r o n i cc o n t r o ll i q u i dl p g i n je c t i o ne n g i n ew i t ht h ef r o n t - - e n di n w a r db e n d i n gi n t a k ep o r ta n di n w a r d - s h a p e dl a y o u tw i t h t h eg r a d u a lr e d u c t i o nc l a p b o a r da n dt h ec o n c a v ec u r v e ds t r u c t u r ep i s t o n t h ep r o c e s so f i n c y l i n d e rt u m b l ea n dm i x t u r es t r a t i f i c a t i o nf o r m a t i o nw a si n v e s t i g a t e d t h ec o m p u t a t i o n a l m e t h o dw a sv a l i d a t e db yc o m p a r i n gt h ec o m p u t a t i o n a lr e s u l to fa ne x i s t i n gc a s ew i t ht h e c o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t t h r o u g ht h ei n - c y l i n d e rv e l o c i t yv e c t o rf i g u r ea n dt h ed i s t r i b u t i o n o ff u e lc o n c e n t r a t i o nf i e l d ，t h ep r o c e s so fi n - c y l i n d e rt u m b l ea n dm i x t u r es t r a t i f i c a t i o n f o r m a t i o nw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et u m b l ew a sf o r m e da tt h ei n i t i a ls t a g e o ft h ec o m p r e s s i o ns t r o k e t h em i x t u r ec o n c e n t r a t i o nw a st a k e nu pb yt h et u m b l ea l o n gt h e c y l i n d e rw a l l ，a n dg o tt ot h es p a r kp l u gi g n i t i o nr e g i o nn e a rt h ee n do fc o m p r e s s i o ns t r o k e t h e s t r a t i f i e dm i x t u r ew a sf o r m e db e c a u s eo ft h ed e n s i t yo fm i x t u r er e d u c e dg r a d u a l l yd e p a r t e d f r o mt h ei g n i t e rp l u gn e a r b yr e g i o n a tt h ep r e s e n t ，a l t h o u g hap a r to fr e s i d u a lt u m b l ev o r t e x s t i l le x i s t e di nt h ec e n t r a lp a r to ft h ec o m b u s t i o nc h a m b e r , t h et u m b l ei no t h e rp a r t so ft h e c o m b u s t i o nc h a m b e rh a db r o k e ni n t os m a l lv o r t i c e sa n de d d i e s t h ee f f e c t so ft h ei n - c y l i n d e r t u m b l e ，t h ef u e li n j e c t i o nt i m i n ga n dt h ec o m b u s t i o nc h a m b e rs h a p ef o rm i x t u r ef o r m a t i o n w e r ef u r t h e ri n v e s t i g a t e d t h eo p t i m i z e dc o m b u s t i o nc h a m b e r ，v a l v el i f tc u r v ea n df u e l i n je c t i o nt i m i n gw e r ed e t e r m i n e df o rf o r m i n gs t r a t i f i e dm i x t u r ea c c o r d i n gt ot h er e s u l t s o b t a i n e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w h i c hc o u l dp r o v i dav i a b l et h e o r yf o rd e v e l o p i n gl p g l i q u i di n j e c t i o ns t r a t i f i e dl e a nb u me n g i n e k e yw o r d s ：l p gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c a v i t a t i o np h e n o m e n o n ，v i s u a l i z a t i o n ， s p r a y ，t u m b l e ，l e a nb u m 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不合其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责 任。 学位论文作者签名：日期 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定，即i 山东 建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将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、缩印或其它手段保存、汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师签 名： 嘲型：丝： 嘲乌丘严 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 以内燃机为动力的汽车已经历了1 0 0 年以上的发展，其技术日臻成熟和完善，作为 人类历史上发明的最重要交通工具，汽车带给人类社会极大的方便并促进了世界各国产 业发展，也是人类文明的重要标志之一，而能源与环保问题始终是汽车工业发展过程中 的重要问题。传统的汽车发动机以汽油、柴油作为燃料，必然也受到了石油危机的困扰， 根据b p 公司发布的b p 世界能源统计2 0 0 8 ) ) ( s t a t i s t i c a lr e v i e wo f w o r l de n e r g y2 0 0 8 ) 中的数据，2 0 0 7 年世界经济增长依然强劲，并继续带动全球能源消费。世界一次能源消 费增长2 4 ，虽然较2 0 0 6 年的2 7 略有放缓，但仍连续第五年高于过去十年的平均水 平。截至2 0 0 5 年底，世界石油探明储量为1 2 0 0 7 亿桶，如果按现在全世界石油的年开采 量计算，预计目f j 的丌采量还可维持4 0 6 年1 1 1 。2 0 0 7 年亚太地区占据了全球能源消费增 长的2 3 ，并以高于平均水平5 的速度持续增长。而中国再一次占据了全球能源消费增 长的一半，增长率为7 7 ，尽管仍然高于过去十年的平均水平，却是自2 0 0 2 年以来的 最低增长率。另一方面，随着世界汽车工业的迅猛发展，当今世界汽车保有量达到8 亿 辆左右，按现在的增长速度计算，预计到2 0 2 0 年，世界汽车保有量将增至1 2 亿辆2 1 ， 由汽车尾气排放引起的污染问题也将日益严重。 对我国来说，近年来，汽车工业得到了快速发展。2 0 0 4 年我国汽车年产量达到5 0 7 4 万辆，已成为世界第四大汽车生产国和第三大消费国。2 0 0 4 年我国汽车保有量已达到 2 7 4 2 万辆，据有关预测，到2 0 2 0 年我国汽车总需求量将接近2 0 0 0 万辆，总保有量有可 能突破1 5 亿辆。随着机动车保有量的激增，我国机动车尾气污染问题更显严重，国家 环保中心预测，到2 0 1 0 年我国汽车尾气排放量将可能占空气总污染源的6 4 f 3 1 。汽车保 有量的增长同时带来了燃油消耗总量的快速增加。我国已经成为继美国、日本之后的世 界上第三大石油进口国。2 0 0 5 年我国累计进口原油1 2 7 亿吨【4 1 ，据有关人士预计，到2 0 2 0 年我国石油需求量将超过4 5 亿吨，对外依存度将有可能达到5 0 i 引。另外，我国原油 进口渠道相对集中，据2 0 0 2 年的统计数据，我国进口原油的近5 0 来自中东。中东地 区是一个地缘政治相当复杂的地区，加之中东到我国漫长的海上运输航线，一旦出现地 区局势的动荡，将给我国的能源安全造成极大的隐患。 为降低汽车排放对大气造成的污染，减少温室效应，促进多元化的汽车能源结构的 形成，全球汽车工业正在加快开发新型动力系统。在我国“十五”工业结构调整规划纲要 山东建筑大学硕士学位论文 中，明确提出“积极推进代用燃料汽车的应用”1 6 i 。因此，找寻汽油、柴油以外的汽车清 洁代用燃料己经成为当前重要的研究方向。液化石油气( l p g ) 以其经济性好、易于储 运和低污染排放等优点成为当前最具推广价值的汽车发动机清洁代用燃料之一，据t e x a s a & m 大学的研究1 7 1 表明，l p g 作为燃料时的污染排放量低于美国联邦车辆排放标准， 在试验中非甲烷碳氢化合物( n m h c ) 、c o 及k n o x 等指标达到或接近加州大气保护局 ( c a r b ) 制定的极低排放标准( u l e v ) ，s i e r e n s f 8 】和l u h m a n l 9 1 等人的研究表明以l p g 作为燃料的汽车能达到极低的污染排放量，并且大量的研究结果表明，l p g 发动机比传 统的汽油发动机在降低污染排放方面有显著改善i m 2 5 j ，其排放能达到甚至优于欧i i 排放 标准| l6 。旧l ，而另有研究表明，非电控喷射l p g 发动机n o x 的排放比燃用汽油时会有所 增加【2 5 - 2 7 1 ，为解决这一问题，c h e n 等l ：8 1 在l p g 中加入了适量的二甲醚( d m e ) ，结果 表明这种混合燃料能在较宽的负荷范围内高效燃烧，合适的比例能使n o x 接近零排放。 1 2 我国发展l p g 汽车的必要性和可行性 液化石油气( l e g ) 具有冷启动好，辛烷值高，着火界限宽的特点，燃烧时生成的有 害物质与汽油、柴油汽车相比，碳氢h c 下降7 0 左右，c o 下降9 0 ，氮氧化物n o x 下降3 0 左右，二氧化碳下降2 0 左右，碳烟( p m ) 可基本消除，因此l p g 已成为当 前国际上最具有推广价值的低污染燃料之一【2 9 1 ，尤其适用于城市公交车和出租车汽车。 预计到2 0 1 0 年我国对l p g 的需求量为3 0 5 0 万吨，2 0 1 5 年对l p g 的需求为3 8 9 0 万吨； 届时国内l p g 产量约为2 0 5 0 万吨和2 6 0 0 万吨，市场应用前景非常广阔f 3 0 】。我国截至 2 0 0 4 年底，正式确定的清洁汽车重点推广应用城市( 地区) 有1 9 个，燃气汽车保有量 为2 1 5 万辆，其中l p g 汽车1 1 4 万辆，1 9 个重点推广应用城市( 地区) 加气站数量达 7 1 2 座l3 i 】。这为我国l p g 汽车的发展提供了有力的平台。2 0 0 6 、2 0 0 7 、2 0 0 8 年我国石油 催化裂解生产的l p g 分别为1 8 1 0 万吨、1 9 8 0 万吨、1 8 6 0 万吨l 。若根据一年的不同季 节调节车用l p g 的丙烷丁烷比例时，可生产车用l p g 4 0 0 万吨年以上。l p g 燃料的低 热值与汽油相当，而辛烷值高于汽油，特别是车用l p g 的最新现行价是3 4 元l 1 2 j ，远 比汽油( 5 1 元l ) 便宜。因此广州市目前的1 8 万辆出租车和9 0 0 0 多辆公交车中，8 5 以上使用l p g 燃料；上海在“十一五”规划中也鼓励出租车采用l p g 单燃料发动机，并 明确提出了“十一五”期间，出租车l p g 的使用率保持在出租车总量的2 5 - 3 0 p 1 ；其它 大多数城市也都有相当数量的l p g 燃料出租车。 山东建筑大学硕士学位论文 表1 1l p g 与汽油的性质对比 l p g 性质甲烷汽油( 9 0 4 ) 丙烷正丁烷 分子式 c 3 h 8c 4 h 1 0 c h 4c 5 c 1 2 密度( 液相) ( k g m 3 ) 5 2 86 0 24 2 47 0 0 7 8 0 密度( 气相) ( k g m 。3 ) 2 0 22 5 9 80 7 1 5 沸点( ) 4 2 10 51 6 1 53 0 9 0 饱和蒸气压( m p a ) ( 2 0 。c )0 8 40 2 0 0 5 临界温度( ) 9 6 71 5 28 2 6 临界压力( m p a ) 4 2 53 84 6 2 气化潜热( k j k g ) 4 2 63 8 55 1 03 1 0 3 4 0 质鼍比1 5 6 51 5 4 31 7 2 51 4 8 理论空燃比 体积比 2 3 8 13 0 9 59 5 28 5 8 6 低热值( m j k g ) 4 5 7 74 6 3 95 0 0 54 3 9 0 混合气热值( m j m 3 1 3 4 9 3 5 23 3 93 7 3 辛烷值( r o n ) l1 1 59 51 3 09 2 着火极限( ) 2 2 9 51 9 8 55 1 51 3 7 6 着火温度( ) 4 6 64 3 05 3 73 9 0 4 2 0 火焰传播速度( m s ) 3 83 73 3 8 3 9 - - 4 7 火焰温度( ) 1 9 7 01 9 7 51 9 1 82 1 9 7 1 3l p g 的燃料特性 l p g 主要来自于炼油厂的副产品和天然气与油田伴生气处理后获得的产品，其主要 成分依其产地不同成分也有较大区别，但基本上还是以c 3 和c 4 为主的的烃类，即丙烷 ( c 3 h 8 ) 、丁烷( c 4 h i o ) 、丙烯( c 3 h 6 ) 、丁烯( c 4 h s ) 混合物。车用l p g 燃料的主要成分为丙 烷和丁烷，不饱和烃类仅占很少一部分甚至没有。因此丙烷和丁烷的性质决定了l p g 作 为车用燃料的的性质，表1 1 列出了丙烷、丁烷与天然气( 甲烷) 、汽油( 9 0 “) 、的主要 物理化学性质【3 2 。3 1 。 从表1 1 中可以看出，l p g 作为内燃机燃料具有如下特点： 1 ) l p g 中主要成分丙烷和丁烷的单位质量的低热值高于汽油，但理论混合气热值 山东建筑大学硕士学位论文 要比汽油低6 左右。 2 ) l p g 的抗爆性能好于汽油，l p g 的研究法辛烷值在1 0 0 - - - 一1 1 0 之间，可以采用较 高的压缩比以提高汽车的动力性和经济性。 3 ) l p g 的着火界限比汽油的着火界限略宽，更适合采用稀薄燃烧技术。 4 ) l p g 比汽油的着火温度高，火焰传播速度慢，因此需要较高的点火能量和较大 的点火提前角。 5 ) l p g 的最高燃烧温度比汽油低2 0 0 。c ，有利于减少污染物n o x 的生成。 1 4l p g 发动机技术及发展现状 l p g 发动机技术大致经历了四代产品的更替：第一代为混合气式气态燃料供应系统， 第二代为l p g 电子控制燃料供应系统，第三代为l p g 进气管电控喷射系统，第四代为 l p g 缸内直喷技术。 第一代产品可采用l p g 专用系统或l p g 与汽油双燃料系统。通过在节气门前安装 的混合器使l p g 气化并与空气混合，形成较为均匀的混合气后被吸入汽缸，这种燃料供 应方式结构简单，成本低，在技术上要求也较低。其主要缺点在于气态l p g 挤占迸气体 积，使得充气效率下降，带来动力下降的问题f 3 4 】；而且无法控制l p g 的供气量，空燃比 波动较大，排放难以满足环保要求。目前我国由汽油机改装的l p g 发动机大都采用这种 燃料供应方式。 第二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。由于根据不同工 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。 第三代l p g 进气管电控喷射系统按照供应燃料的状态可以分为气态喷射和液态喷 射( l p l i ) ；按照喷嘴的安装位置和喷嘴数量又可以分为单点喷射( s p i ) 和多点喷射 ( m p i ) 。发达国家己经开始采用多点l p g 液态喷射方式( m p l i ) 1 3 5 - 3 7 】。采用m p l i 可 以显著的改善发动机动力性下降的问题，使得发动的功率与原汽油机持平，排放也得到 改善。其原因有： 1 ) 部分液态l p g 来不及气化，以液态的形式进入发动机，减少了挤占进气体积， 较气态l p g 供应方式提高了充气效率。 2 ) 部分l p g 在气化过程中吸收了大量的热，使进气温度降低，提高了进气密度， 山东建筑大学硕士学位论文 也提高了充气效率。 3 ) 由于进气温度较低，而液态l p g 进入气缸后继续蒸发吸热，降低了缸内温度， 使最高燃烧温度也下降，从而降低了n o x 的生成量。 4 ) 采用电控方式能确保高速高负荷下燃料的充足供应，而不会像普通供气方式那 样在高负荷下出现供气不足。 第四代缸内直喷技术( d i ) 是未来l p g 发动机发展的目标和趋势。这种方式将l p g 喷嘴安装在缸盖上，把液态l p g 直接喷射到发动机的气缸里。由于没有节气门的节流作 用，因此减少了发动机的泵气损失，提高了发动机的工作效率。然而像汽油机的缸内直 接喷射( g d i ) 一样，l p g 的缸内直接喷射也面临着很多的技术困难和问题，目前的研 究和应用还不多1 3 8 】。 综合考虑发动机开发和使用成本，结合当前不断严厉的排放法规，就目前来看，m p l i 仍是l p g 发动机燃料供给系统的首选目标，而且其技术相对完善。将现有的m p i 汽油 机直接改装成l p g 发动机既可以充分利用现有的大量汽油机，节省成本，又可以降低有 害气体的排放并缓解石油供应紧张的现状。 1 5 本文的研究内容 目前报道的l p g 液态电喷发动机几乎都采用了预混合均质燃烧方式3 9 。5 1 ，这也是在 发动机在部分负荷工况时仍存在燃料经济性不好的主要原因之一。而电喷汽油机采用稀 薄燃烧方式是提高部分负荷经济性最有力的措施之一，发动机的热效率可提高1 0 1 5 【4 引。本文以三菱汽车公司( m v v 系统) 的这些在汽油机上已成功应用的技术为主要 基础，采用与低压汽油喷射( o 2 5m p a - - 0 5 m p a ) 不同的中高压l p g 液态喷射( 2m p a - 2 s m p a ) ，并结合l p g 燃料易于蒸发汽化等特点，提出能够形成l p g 液态喷射发动机混 合气的分层构造的结构方案和运转条件。采用市场上最常见的，由6 0 ( 摩尔比) 丙烷 和4 0 ( 摩尔比) 正丁烷的混合物作为一种典型的车用l p g 燃料，利用通用c f d 软件 f i r e 对l p g 发动机混合气形成过程进行研究，拟完成的工作主要包括以下几个方面： 1 ) 建立描述液态l p g 燃料性质的1 3 种物化参数的数据库并编译、导入通用c f d 软件f i r e8 5 ，并在验证其解析方法可行性基础上，使用f i r e8 5 数值模拟液态 l p g 喷嘴内部的气穴流动过程，考察气穴生成的位置、喷嘴出口的蒸汽体积分 数、压力、流速等，从而为喷嘴外部的喷雾解析提供更准确的出口初始条件和 边界条件。 山东建筑大学硕士学位论文 2 ) 将喷嘴内部流动过程的解析获得的喷孔出口的实际流通截面积、压力、流速作 为喷雾计算的初始条件，数值解析液态l p g 的喷雾发展过程以及在进气歧管内 的反射过程，并且与光学纹影实验结果进行比较。考虑到减压沸腾现象给予液 态l p g 喷雾过程的影响，修正原c f d 软件中的喷雾模型，考察在计算模型中 考虑和不考虑气穴现象和减压沸腾现象发生时给予喷雾的贯穿距离和液滴的索 特平均直径( s m d ) 的影响。 3 ) 提出一种l p g 发动机稀薄分层混合气构造形成的方法，并通过数值模拟的方式 对l p g 发动机进气过程进行研究。将计算结果与实验结果进行对比，验证计算 方法的可行性，并在此基础上进一步研究不同进气阀升程对缸内滚流比的影响， 以及不同燃料喷射期和发动机转速对稀薄分层混合气形成过程的影响。 1 6l p g 发动机混合气形成过程的研究现状 ，由于混合气的形成过程对发动机的燃烧和排放性能的决定性作用，发动机研究者们 使用多种手段对燃料的混合气的形成特性已进行了深入的研究，但主要集中在汽油和柴 油这两种传统燃料，而对于包括l p g 在内的代用燃料的混合气的形成过程主要是实验研 究，数值模拟的报道较少。 b a k e r 与w | a t s o n l 4 7 j 利用实验的方法对l p g 多点喷射的气态喷射与液态喷射进行了研 究，研究表明液态喷射方式有更好的充气效率，有利于减少排放，但是气态喷射与液态 喷射系统在稀薄燃烧时的排放对于空燃比不是很敏感，压缩比对于稀薄燃烧有着很大的 影响。l e e 与p a r k 等f 4 8 1 对大负荷车辆采用的l p g 多点液态喷射发动机进行了研究，液 态l p g 喷射系统的容积效率和输出功率与气态混和系统相比可以提高1 0 ；对于大负荷 l p g 发动机的合适的涡流比是2 0 。p a r k i 4 9 j 利用实验的方法对直喷系统的l p g 喷雾特性 进行了研究，其中l p g 由7 0 丁烷和3 0 丙烷组成，通过高速c c d 相机得到的喷雾图 像表明，在喷嘴附近的喷雾锥角要比柴油的大得多，但是随着喷射压力的增大将迅速减 小；由于迅速汽化的原因在喷雾离喷嘴较远处变得更宽贯穿距离变得更小；l p g 对于进 气流的流动比柴油和汽油有更高的要求，需要更加仔细的设计缸体。l e e 等i 熨1 通过比较 数值模拟和风洞实验的结果后认为，喷雾环境中的气流速度对l p g 喷雾贯穿距离的影响 要比喷射压力大，因为l p g 喷雾的贯穿距离取决于喷雾中液滴和环境气体之间的阻力作 用；提高喷射压力会加剧l p g 的减压沸腾，而且l p g 蒸汽会减小液滴和环境气体之间 的阻力作用。l e e 与g o t o 等t 引1 学者利用k i v a 3 v 对液态丁烷进行了研究，对k i v a 3 v 山东建筑大学硕士学位论文 中的w a v e k h 模型进行了验证，并且对液态丁烷和柴油的贯穿距离、索特平均直径进行 了比较，结果表明液态丁烷的贯穿距离要远大了柴油，比柴油破碎更早，索特平均直径 值更小。 相比国外，国内对于l p g 发动机混合气形成过程的研究则更少。李西秦【5 2 】等针对 l p g 进气道气态喷射、进气道液态喷射和气缸内液态直接喷射对发动机性能的影响，进行 了理论分析和在f 1 7 0 汽油机上的对比实验，实验结果表明：液态l p g 缸内直接喷射发 动机的最大扭矩比燃用汽油时提高约1 0 ，能有效解决l p g 常规供应方式发动机动力 性下降的问题。肖合林i ”j 等采用高速摄影技术，对液化石油气、柴油以及两种l p g 柴油 混合燃料( lp g 质量分数分别为3 0 及5 0 ) 的喷雾特性进行了对比实验研究，研究结 果表明：在相同的喷射条件下，纯l p g 的喷雾贯穿距离最短，蒸发气化速度最快；四种 燃料喷雾的贯穿距离均随背压的升高而减少，而其喷雾锥角则随背压的升高而增大；当 背压大于lp g 的临界压力时，两种混合燃料的喷雾贯穿距离和喷雾锥角均随喷射压力 的上升、喷孔直径的增大而增大；背压对贯穿距离、喷雾锥角的影响均大于启喷压力。 祁东辉等使用直接摄影法研究了l p g 柴油混合燃料的喷雾特性，发现由于减压沸腾效应 的影响，喷雾锥角变大，喷雾粒子变小；混合燃料液滴尺寸的数目分布向小颗粒液滴方 向偏移，但燃料液滴的尺寸范围和发散边界增大。 1 7 本论文的构成 第一章：综述当今汽车发展所面临的能源和环境问题，提出发展和推广代用清洁燃 料l p g 的必要性。指出了l p g 发动机仍存在的问题以及相关研究现状，基于此介绍本 文的主要研究内容。 第二章：根据本文研究液态l p g 混合气流动特点，描述了基本控制方程、喷雾子模 型以及碰撞模型，确立数值解析方法以及本文的网格生成方法。 第三章：建立了描述液态l p g 燃料性质的1 3 种物化参数的数据库并编译、导入通 用c f d 软件f i r e8 5 后，在验证了解析方法可行性基础上，使用f i r e8 5 解析了液态l p g 喷嘴内部的气穴流动过程。 第四章：对原f i r e8 5 的喷雾模型进行了修正后，数值解析了液态l p g 喷雾发展过 程以及在透明进气歧管模型的反射过程，考察了不同喷射压力时的喷雾贯穿距离和索特 平均直径( s m d ) 等，并与光学纹影实验结果进行了比较。 第五章：利用f e p ( f a m ee n g i n ep l u s ) 移动网格生成技术划分l p g 发动机移动网 山东建筑大学硕士学位论文 格，对缸内的混合气形成过程进行研究，得到缸内纵向滚流的发展过程，通过数值模拟 的方式得到了l p g 发动机缸内稀薄分层混合气构造，从而验证了本文提出的l p g 发动 机分层稀薄燃烧技术的可行性。 第六章：总结全文，并对以后的研究方向进行展望。 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章l p g 发动机喷雾过程数值模拟的理论基础 c f d 是计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 的英文缩写，它是在经典力学、 数值计算方法和计算机技术的基础上建立起来的新型学科。与实验相比，应用c f d 辅助 发动机工程来进行内流系统的模拟计算，不仅能提供实验研究不可能提供的信息量，而 且花费小、周期短、实用性强、效果明显，并能充分反映结构参数几何形状的影响，有 关参数的获取、分析与实验相比要简单、迅速，从而对发动机结构、+ 开发新型燃烧系统 提供预见性指导。随着c f d 技术的飞速进步和计算机容量和速度的提高，c f d 不但是 流体力学基础研究的重要领域，而且成为解决工程实际的最有