（机械电子工程专业论文）分层稀燃lpg缸内直喷发动机燃烧及排放过程的理论研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 捅芰 液化石油气( l p g ) 具有碳氢比低，辛烷值高，燃料的单位热值价格低，具 有很好的h c 、n o x 和s o o t 等污染物减排的潜力，l 可时良好的经济性和排放性 能使l p g 成为优良的汽车代用燃料之一。但目| j i l p g 发动机多采用预混合均质 燃烧，导致燃油经济性及动力性均较差，而采用液态l p g 缸内直喷可显著改善 动力性、经济性及排放性能，特别是分层稀燃可显著提高部分负荷经济性。本文 在形成的较好的分层稀薄混合气的基础上对l p g 的燃烧和排放过程进行了数值 解析，同时利用化学反应动力学软件c h e m k i n 对排放物研究作为补充，使对 研究更加精确，为优化l p g 发动机的燃烧和排放性能提供重要的理论依据。 为了使建立的l p g 直喷发动机数值计算模型能够准确地模拟出发动机的实 际工作过程，我们分别采用了喷雾可视化实验和缸压实验对所建的喷雾模型和燃 烧模型进行了验证和标定。通过实验和计算数据的对比，我们选择的计算模型可 以很好的模拟喷雾和燃烧过程。 在此基础上我们首先对分层稀薄混合气的燃烧过程做了详细的数值计算，结 果表明：在部分负荷( 2 0 0 0 印m ) 条件下通过对缸内压力、温度以及燃料浓度场 的变化情况分析可以得出推迟点火不利于动力输出和氮氧化物的排放，但对于炭 烟的排放有利。同时，对排放过程计算模型进行选择并分析计算结果，温度对 n o 生成影响极其重要，点火初期缸内高温区域较为集中，n o 的浓度也急剧上升。 在上止点后5 度左右生成速率达到最高，同时n o 的浓度场也在最高生成速率后 出现最高浓度。点火初期火花塞附近过量空气系数。 l 混合气浓度较高，生成 的c 0 浓度相对较高，随着活塞的运动在缸内旋流和滚流的作用下氧气被卷到c o 高浓区域，同时缸内温度处于高温状态，促进了c 0 的氧化，浓度的降低。燃烧 初期火花塞周围氧气浓度迅速降低，导致使火花塞周围炭烟浓度维持在很高的水 平。随着反应的进行整个燃烧室的氧气在旋流和滚流的作用下和炭烟充分混合， 同时燃烧室温度升高，大的炭烟颗粒被氧化成小的颗粒，炭烟浓度逐渐降低。 在三维c f d 计算的基础上，采用化学反应动力学软件c h e m k i n 中的零维内燃 机反应器对l p g 的排放数据补充计算，使计算结果更加准确。 关键词：液态l p g 、分层稀燃及排放、数值模拟、化学反应动力学 山东建筑大学硕士学位论文 t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho ft h ec o m b u s t i o na n de m i s s i o n p r o c e s sf o rt h ed i r e c ti n j e c t i o nl p g e n g i n e z h e n gy o n g w e i ( m e c h a n i c a la n de 1 e c t r o n i ce n 百n e 丽n g ) d i r e c t e db yx ub o y a n a bs t r a c t l p g ( l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ) ，c o m p a r e dw i t hg a s o l i n e ，h a sl o w c rc a r b o nh y d r o g e l l r a t i o ，h i 曲e ro c t a n en u m b e r ，l o w e rp r i c eo fp e rc a l o r i f i cv a l u ea n dl o w e rh c ，n o x ， s o o tp 0 1 l u t a n t se m i s s i o n s t h e r e f o r e ，l p gb e c o m e sa ne x c e l l e n ta l t e m a t i v e 缸e lf - 0 ri t s g o o d 如e le c o n o m ya n dl o w 锄i s s i o n b u tc u r r e n t l yl p g 印百n em a i n l yu s e sa p r e m i ) 【i n gh o m o g e n e o u si 印i t i o nm e t h o d ，w h i c hl e a d st op o o r 如e le c o n o m y 锄dl o w e m i s s i o n d i ( d i r e c ti n j e c t i o n ) l p ge n g i n e c a n e v i d e n t l yi m p r 0 v e t h e p o w e r p e r f o 咖a n c e ，m e le c o n o m ya n de n l i s s i o n s ，e s p e c i a l l ye m p l o y i n gl e a n - b 啪d i r e c t e c t i o nc a ne 瓶c i e n t l yi m p r o v em e le c o n o m ya tp a nl o a d ht h i sp a p e rt h e c o m b u s t i o na n de m i s s i o np r o c e s si ss i m u l a t e db a s e do nl a y e r e dl e a nm i x t u r e a l s o ， c h 锄i c a lr e a c t i o nk i n e t i c ss o 觚a r ec h e m k i ni se m p l o y e dt oa i l a l y s et l l ee m i s s i o n ， w h i c hm a k e st h es t l l d ym o r ea c c u r a t e a l lo ft h ed a t ap r o v i d e sm e o r e t i c a lb a s i st o 叩t i m i z el p ge 1 1 百n e t bm a i ( et 1 1 ed il p ge n 西n em o d e ls i m u l a t et h ew o r k p r o c e s sa c c u r a t e l y ， v i s u a l i z “o ne x p 嘶m c i l to fs p r a y 锄dc y l i n d e rp r e s s u r ee x p 甜m e n t a la r ec a 耐e do u t t ov a l i d a t ea 1 1 dd e m a r c a t ec o m p u t a t i o n a lm o d e l c o m p a r e dt h ee x p e r i m e n ta n d c o m p u t a t i o n a ld a t a ，t h ec o m p u t a t i o n a lm o d e l i sg o o df o rt h es t l l d y b a s e do nt l l ec 0 m p u t a t i o n a lm o d e lt 1 1 ec o m b u s t i o no ft l l el a y e r e dl e 锄m i x t i l r ei s s i m u l a t e d ，t h er e s u l t sa r e 弱f o l l o w s o np a r tl o a d ( 2 0 0 0 叩m ) ，m r o u g ht h ec y l i n d e r p r e s s u r e ，t 锄p e r a t u r ea i l dc 0 n c e l l t r a t i o nf i e l dd a t a ，i 印i t i o nt i m ei sp u to 或狮dt h e e m i s s i o no fn o xa 1 1 dt h eo u t p u to fp o w e ri sb a d ，w h i l et h ee m i s s i o no fs o o ti sg o o d t h r o u 曲t h e 啪i s s i o nr e s u l t s ，t 锄p e r a t u r ep l a y sa ni m p o r t a j l tr o l ei nt h ef o 姗a t i o no f n o i nt h ee a r l yt i m eo fi 印i t i o n ，彻】c hn oi sg e n e r a t e d a t5 。c aa t d ct h en o f 0 硼a t i o nr a t er e a c h e st h ep e a l ( ，a i l da l s on oc o n c e n t r a t i o nf i e l dr e a c h e st h ep e a l ( s u b s e q u e n t l y 1 nt h ee 砌yt i m eo fi 舶i t i o n ， a la r o u n dt h es p a r k ，m ec o n c e i l t r a t i o n o fc oa n dt h et e m p e r a t u r ei nc y l i n d e ri sh i g hw h i c hl e a dt 0t h eo x i d a t i o no fc o ，a n d i t sc o n c e n t r a t i o nd e c r e a s e s t h es o o ta 1 0 u n dt h es p a f km a i n t a i n sa ta h i 曲l e v e li nt h e 山东建筑大学硕士学位论文 e a r l yt i m eo fc o m b u s t i o n ，b e c a u s em e0 2 i sc o n s 啪e dr 印i d l y 卟e n0 2a 1 1 ds o o ti s 如l l yb l e n d e db ym e w h i r la 1 1 dn 珊b l e ，a 1 1 dt h et e m p e r a t u r ei nc y l i n d e ri n c r e a s e s t h e b i gs o o t 黟a i ni so x i d i z e dt os m a l lo n ea l l dt h es o o tc o n c e l l t r a t i o nd e c r e a s e s 伊a d u a l l y b a s e do n3 dc f dc a l c u l a t i o n ，c h e m k 烈0 di n t e n l a le n 西n er e a c t o ri su s e dt o s i m u l a t el p ge m i s s i o na sc 0 懦p l 咖e n t 撕t y a l l t h ew o r ki st om a k et h er e s u l tm o r e a c c u r a t e k e yw o r d s ：“q u i dp h a s el p g ，l a y e r e dl e a n b u ma n d 锄i s s i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， c h e m i c a lr e a c t i o nk i n e t i c s 山东建筑大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 课题的背景和意义 随着全球经济的不断发展，能源需求量不断提高，虽然在许多方面都采取了 相应的措施以节约能源，高效率地使用能源，但全世界对一次能源的需求量还是 不断增长。根据b p 公司发布的2 0 1 1 年b p 世界能源统计年鉴数据显示2 0 1 0 年，在经济复苏的推动下，全球能源消费强劲反弹。2 0 1 0 年，全球一次能源消 费增幅为5 6 ，是1 9 7 3 年以来增长最快的一年( 按百分比计算) 。经合组织国 家的一次能源消费增幅为3 5 ，达到1 9 8 4 年以来的最高水平。中国的能源消费 增幅为1 1 9 ，中国赶超美田成为i 丛界最大能源消费国。石油仍然是全球主要的 燃料，占全球能源消费的3 3 6 ，化石燃料消费的高速增长导致的全球二氧化碳 排放的增长速度达到了1 9 6 9 年以束的最高水平。同时数据表明，随着世界石油 产量大幅增加，2 0 l o 年世界石油探明储量为1 3 8 3 2 亿桶，储产比为4 6 2 年【l 】。 汽车是一种高效的现代化交通工具，它提高了人们的出行效率，促进了生产 的发展，方便了人们的生活，但汽车又是一种流动污染源。汽油车的主要污染物 成分是c o 、h c 、n o x 以及碳粒等f2 1 。汽车排放大量的污染物，使环境付出了沉 重的代价，它给人类带来难以估计的损失。据资料介绍，城市街道上的车流量在 每小时1 0 0 0 2 0 0 0 辆时，c o 、h c 和n o x 这三种有害气体占全部有害气体的 8 0 9 0 以上。这些排放物不仅气味怪异，而且令人头昏、恶心，影响人的身 体健康。汽车本应具备的便捷、舒适、高效的优势逐渐被过多的车辆所抵消。汽 车尾气污染已经成为城市的主要污染源【”。2 0 1o 年9 月美国国家航空航天局 ( n a s a ) 公布了一张全球p m 2 5 污染地图【4 】如图1 1 ，专门展示世界各地p m 2 5 的密度。在这张图上红色( 即p m 2 5 密度最高) ，出现在北非、东亚和中国。中 国华北、华东和华中p m 2 5 的密度，指数甚至接近每立方米8 0 微克，甚至超过 了撒哈拉沙漠。世界卫生组织( w h o ) 认为，p m 2 5 小于1 0 是安全值，而中国的 这些地区全部高于5 0 接近8 0 ，比撒哈拉沙漠还要高很多。面对如严峻的环境危 机，中国政府正不断提高本国的排放法规，以遏制不断恶劣的环境污染现状。2 0 l o 年全国所有车型已采用国排放标准，轻型汽油车国相对于国1 1 1 排放标准c o 下降了5 7 ，h c 和n o x 下降了4 9 ，轻型柴油车国相对于国i i i 排放标准c o 下降了2 2 ，h c 和n o x 下降了4 6 ，p m 下降了5 0 。 山东建筑大学硕士学位论文 暖露臻錾鍪签l 篓；l 夔置 i 一一 一一一二 羔笺譬霆荔豳弱露圈瞬暖_ _ l o5 10 152 05 08 0 s a t e l e d e r l v e dp m 25 悃m3 图1 1 全球p m 2 5 污染地图 面对如此严峻的能源危机，不断恶化的生存环境，以及同益严厉的排放法规， 汽车行业正寻求多样化的发展方向。目前中国大力倡导新能源汽车的发展，新 能源汽车生产企业及产品准入管理规则己于2 0 0 9 年7 月1 同正式实施，规则 明确指出新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源( 或使用常规的车 用燃料、采用新型车载动力装置) ，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术， 形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。就目前的发展来看，新能汽 车主要包括混合动力汽车、纯电动汽车( 包括太阳能汽车) 、燃料电池电动汽车、 氢发动机汽车、代用燃料汽车【5 。】。同时，电动汽车受到技术瓶颈的束缚，在很 长一段时间内很难解决大容量充电电池这一技术难题，使电动汽车的大规模使用 难以实现。代用燃料汽车是在现有的内燃机的基础上发展起来的，技术比较成熟， 可行性强，满足了新能源汽车的要求：一是能源利用效率较高，使燃料在车内得 到充分的燃烧，更充分地利用燃烧生成的热量；二是采用洁净的，对人类的生存 环境污染较小或不存在污染的替代能源，适应了新的排放法规的要求，符合国家 建设环境友好型社会的目标。自2 0 0 2 年以来，国家发改委已举行过多次以内燃 机代用燃料为主题的国内外专家论证会，经过多次研讨以及借鉴国外代用燃料汽 车的发展经验以后，专家己形成共识，液化石油气( l p g ) 、压缩天然气( c n g ) 、 甲醇和乙醇都是可以大力发展的代用燃料，它们的使用和推广对优化能源消费结 构，改善生态环境有着重要意义。作为代用燃料的重要组成l p g ，我们对它的 研究还相对较少，所以丌展对l p g 的研究工作是十分必要的【8 】。 山东建筑大学硕士学位论文 1 2 l p g 燃料的理化特性 液化石油气的主要成分是丙烷( c 3 h 8 ) 和丁烷( c 4 h l o ) ，此外还含有少量的 丙烯( c 3 h 6 ) 、丁烯( c 4 h l o ) ，产地不同，l p g 的组分也有很大差异。通常情况下 丙烷存储在压力容器内，是一种无色，无味的液体，当压力被释放时，液态丙烷 蒸发，变成气态。丙烷具有较高的辛烷值( 比汽油高) ，抗爆震性能优越，作为 火花点火发动机的燃料可提高压缩比，有助于燃料更充分地混合，燃烧更加充分， 动力输出更高。l p g 以其高能量密度和清洁燃烧性能，已成为世界第三大代用 燃料【9 - 1 0 1 。 表1 1l p g 与天然气、汽油的性质对比 l p g 大然气 性质汽油( 9 0 ”) 丙烷正丁烷( 甲烷) 分子式 c 3 h 8c 4 h i o c h ac 5 c 1 2 密度( 液相) ( k 咖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 8o 7 1 5 沸点( ) _ 4 2 1 o 51 6 1 5 3 0 一9 0 饱利蒸汽压( m p a ) ( 2 0 ) o 8 4o 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 气化满热( k j 瓜g ) 4 2 63 8 55 l o3 l o 一3 4 0 质量比 1 5 6 51 5 4 31 7 2 51 4 8 理论空燃比 体积比 2 3 8 l3 0 9 59 5 28 5 8 6 低热值( m j 瓜曲 4 5 7 74 6 3 95 0 0 54 3 9 0 混合气热值( m j m 。) 3 4 93 5 23 3 93 7 3 辛烷值d ) 1 1 1 59 51 3 09 2 着火极限( ) 2 2 9 51 9 8 55 1 5 1 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 83 9 4 7 火焰温度( ) 1 9 7 01 9 7 51 9 1 82 1 9 7 ( 1 ) 汽化温度低，液化石油气的汽化较为容易，与空气混合的均匀性大大优 于汽油，有利于燃料的完全燃烧，排放低。 ( 2 ) l p g 的燃烧特性与汽油相当，其热值比汽油稍高。 山东建筑大学硕士学位论文 ( 3 ) l p g 的辛烷值高，抗爆性能优f 汽油，作为发动机的燃料允许较高压缩 比，有助于燃料更充分地混合，燃烧更加充分，动力输出更高。 ( 4 ) 其他性能：l p g 有低沸点，汽化高潜热，最高燃烧温度低等特性，这都 有利于提高动力输出，降低污染物的排放。 1 3 l p g 汽车发展的探讨 1 3 1 l p g 发动机发展的技术问题 目f j i ，国内外量产的l p g 发动机多采用电控l p g 进气道多点喷射，在应用 过程中最突出的问题是，相比于汽油机l p g 发动机动力输出降低。这是因为在 l p g 进气道气念喷射时，l p g 首先充满进气道内，从而阻止了空气的流入，使 发动机充气效率降低，导致发动机动力输出降低。采用l p g 液体喷射时，与汽 油机相比，l p g 液体喷射发动机的扭矩和功率都有所提高。这是因为l p g 液念 喷射时，液态燃料在进气歧管内蒸发吸热，降低了进气道内温度，使进气密度增 大，缸内充气效率随之提高，发动机的动力输出提升。但改变喷射燃料的物理状 态并小能从根本上解决这种燃料供给方式的刁i 足，随着汽油机缸内直喷技术的发 展，液态l p g 缸内直喷技术也成为l p g 发动机研究的最前沿，成为汽车工业的 研究的重要方向【1 7 之0 1 。 李西秦对l p g 喷射形式对发动机的性能影响进行了试验研究2 1 。2 2 1 ，实验是 在1 7 0 f 汽油机的基础上，对原机作了必要改装，拆除了化油器，增加喷射器，压 缩比由6 0 提高到6 9 5 ( 具体参数见表1 2 ) ，通过实验得出不同喷射，不同燃 料形式发动机的外特性曲线如图1 - 2 所示。实验结果得出：采用液态进气道喷射 技术，可基本解决l p g 发动机动力输出不足的缺点，但采用目前最先进的液态 缸内直喷技术发动机的动力输出比汽油机油显著提升，这种燃料供给方式可从根 本提升l p g 发动机的性能。液态缸内直喷技术主要由以下几点优势：( 1 ) 采用 液态缸内直喷，燃料在缸内气化降低燃烧室的温度，可增加充气效率，提高燃烧 行能；( 2 ) 在低负荷运行时，可降低喷射量，在缸内形成分层稀薄混合气，实现 分层稀薄燃烧，实现燃料的利用率；( 3 ) 瞬态响应快，控制精度高，有利于实现 发动机的快速起动，同时能控制污染物的排放；( 4 ) 缸内燃烧温度相对较低，可 实现低温燃烧，有利于提高压缩比，降低爆震。 4 山东建筑大学硕士学位论文 表1 21 7 0 f 汽油发动机技术参数 型式单缸、四冲程、风冷 缸径行程，m m 7 0 6 5 额定功率额定转速，k w ( r m i n ) 3 6 8 3 0 0 0 排量l o 2 5 0 压缩比 6 0 6 9 5 ( 改装后) _ _ 。、 多乏逡 一r 少 一 毒硝扩一 转速，r 加n 图1 2 不同喷射，不同燃料形式发动机的外特性曲 缸内直喷发动机的技术优势明显，但同样面临着诸多技术难度，要实现直喷 技术的发展应解决以下几点难题：( 1 ) 提高燃油供给的控制精度，同时优化燃烧 室的结构，实现分层稀薄燃烧，要加强对喷油时刻、喷油量，点火时刻及混合气 缸内流动和燃烧室的相互配合，控制精度极高；( 2 ) 喷油器孔径较小，容易使喷 孔阻塞，影响喷油质量，降喷油器嘴寿命；( 3 ) 低负荷时h c 的排放较差，大负 荷时n 0 x 的排放较差。面对这些技术难题，计算流体力学的应用大大提高了发 动机的研发效率，现在国内的发动机数值计算已成为推动发动机技术革新的重要 推动力量，同时制造工艺和制造精度的提升也为发动机部件的高精度提供着巨大 帮助，发动机直喷技术发展6 矿进广阔。 1 3 2 l p g 汽车发展的现实问题 山东建筑大学硕士学位论文 在技术层面上，l p g 发动机已经有了较为成熟的技术，但时至今日各大城 市l p g 汽车的发展仍然没有较大的突破性进展，对此结合国内一些城市的发展 情况和学术著作、专家观点，实现l p g 汽车的推广应做好以下几点工作【2 3 。2 5 1 ： ( 1 ) 要加快l p g 汽车的发展，必须解决好车用l p g 的方便供气问题，增 加l p g 加气站的数量。目前，加气站作为l p g 汽车燃气供给中最简便、最先进 的一种供气方式，这一点已经得到了大家的公认，然而加气站的建设既要受到消 防安全距离的限制和城市建设总体规划的制约，还有很高的技术条件，较高的投 资成本，因而投资者出于利润的考虑对加气站的信心和投入资金不足，使得加气站 的发展与l p g 汽车的发展不相适应。就目i j 我国各大城市城市建设的现状看， 不要说建设成合理布局、能够满足l p g 汽车加气需要的足够数量的加气站，就 是临时增加一些加气站建设也是非常困难的。加气站的建设不能形成网络，不能 解决l p g 汽车方便供气的问题，已经成为各个城市制约燃气汽车发展的主要予 盾。 ( 2 ) 要加快l p g 汽车的发展，必须降低汽车用液化石油气的成本，使汽车 燃气在成本核算上明显优于燃油，以增强燃气汽车发展、使用的吸引力。目前， 影响l p g 汽车发展和使用的另一个比较突出的问题就是车用气的价格和成本问 题。南方一些城市由于受资源条件的限制，在车用气源的选择上，不得不用进口 液化石油气。进口液化石油气尽管质量比较稳定，且完全可以按照车用气的具体 质量要求并配液化石油气的气体组份，但价格比较高，有时甚至接近汽油价格； 北方一些城市尽管液化石油气的资源比较丰富，但由于国产气中尚无完全符合车 用气质量标准要求的液化石油气；有些城市由于受车用器具选择的限制，不得不 用进口气或纯丙烷气这些气的价格基本上都接近汽油价格。这种价格与汽油相比 没有明显的优势，因此很不利于l p g 汽车的使用和发展。同时，汽车燃料由汽 油改成液化石油气，严格讲可以说是一场革命，多少年来人们已习惯用汽油，现 在要改为燃气，不仅观念要转变，而且要多支付一部分改装费，因此，如果没有 燃气比燃油的明显价格优势，即使靠政府的强行命令也是很难推行的。 ( 3 ) 要加快l p g 汽车的发展，必须根据本地l p g 汽车使用的具体特点、 要求，选择和调整、改进好车用器具。由于各地的气温、液化石油气的质量、车 型、车况等使用条件的不同，对车用夜化石油气的器具所具有的技术性能应该进 行认真的选择、试验和调整。只有这样才能使燃气汽车发展的技术可行性落到实 6 山东建筑大学硕士学位论文 处。要做剑所选用的车用器具要适合使用所选择的民用混合组分的液化石油气； 在冬季气温低、液化石油气难气化条件下，具有较好的、简便的冷车起动性能： 由于公共汽车的发动机与乘客在一起，因此所选用的器具，特别是安装在化油 器上的混合器套，必须有密封装置，以防止汽车熄火后，减压蒸发器至混合器 问胶管中存留的液化石油气流出，造成车内有液化石油气气味。 ( 4 ) 要加快l p g 汽车的发展，还应做到提高汽车续驶里程较短。由于受技 术条件、携带气瓶的容积和加气站数量的限制，液化石油气汽车不能长距离行驶。 这使得l p g 汽车的推广收到了限制，特别是长途行驶的汽车更不能实现行驶里 程，大多数人虽认识到了l p g 汽车的优越性但不得不选择续航早程长的汽油作 为燃料。提高l p g 汽车的续航能力是推动其大规模推广的又一重要因素。 1 4 发动机数值模拟的研究现状 发动机的燃烧与排放特性主要由进气、燃烧室内混合气形成和燃烧过程间复 杂的相互作用所决定。由于缸内压力、温度及混合物成分都随空间及时间发生变 化，传统的发动机测试指标不论是在发动机几何形状和喷射燃烧系统参数的关 系上，还是在发动机的性能和排放特性方面都只能提供有限的信息。对整个混合 物形成和燃烧过程的深入理解，对于认识燃烧效率和排放物形成的机理，并使其 满足同益加强的排放法规的要求有着重要的意义。数值模拟技术已成功的应用于 不同类型的发动机喷雾、燃烧和排放的分析和优化【2 6 - 3 0 1 。应用数值模拟技术辅助 发动机设计，关键在于其预测能力，其中相关计算模型的选择对于计算的准确性 有着重要意义，这些模型用来对包括喷雾破碎、混合气形成、湍流燃烧和排放物 形成的化学过程等控制过程进行模拟。通过全球研究人员的不断积累，已有适于 各种复杂程度的多种模型可用来针对相关的内燃机混合物形成和燃烧进行分析【3 3 5 1 。就目前而言，对于l p g 发动机的研究大多数研究人员采用的是汽油机和柴 油机研究过程中获得的计算模型或在此基础上根据l p g 的燃料特性修j 下的模 型，然后结合实验数据进行对数值模拟结果进行模型可行性验证【3 6 3 8 1 。 1 4 1 发动机喷雾模拟的发展 发动机的燃油的喷射、雾化和蒸发及其与空气的混合对发动机的燃烧和排放 具有关键的作用，因而正确地对其进行模拟是发动机多维数值模拟成功的一个关 键问题。 山东建筑大学硕士学位论文 国内外在这方面进行了大量的研究，并建立了一系列模型。h i r o s h im i y a g a w a 等人【3 9 】考虑了汽油的多组分性质，建立了喷雾的多组分蒸发模型。由于大部分 液滴和油膜的多组分蒸发模型不够准确或者需要巨大的计算资源，y 锄g b i n g z e n g 等人【4 0 】又提出了新的两组分蒸发模型，并且把它与单一组分相比较，研究 发现存在着显著差别。n a i t o h 等人建立了一个理论模型，称为o v a l p 嬲l b o l a t r a j e c t o r i e s 模型，来预测液滴碰壁后的雾化过程。b a i g o s m 锄【4 2 】则建立模型来 模拟液滴轰击作用下的碰撞压力，斜碰油膜表面的切向动量的转化作用，和油膜 表面的气流剪切作用力。a h m a d i b e 觚i 【4 3 】建立了油膜形成和流动的数值模型， 并与液滴壁面模型，气液相转换模型结合起来。在s t 锄t o n 和r u t l a i l d 【4 4 4 5 】建立的 模型中，则考虑了液滴碰壁对油膜质量和动量的影响，考虑了飞溅作用，不同的 剪切力，活塞的加速度以及动念压力的影响。a m s d e i l 等人【删则基于输运方程模 拟了壁面油膜的动态变化和蒸发，以预测冷起动条件下的h c 排放，并且为 k i v a 一3 中的油膜模型添加了一个新的喷雾碰壁模型f 4 7 1 。j i r os e n d a 等人【4 8 】提出 了一个考虑了油膜形成的喷雾碰壁子模型，并为适用于汽油机的计算做了模型改 进。m 锄s h i k 硒m 等人【4 9 】则将建立了新的喷雾碰壁和油膜形成模型，与s t a 艮c d 软件结合起来，计算壁面油膜的分布和油膜的厚度。 美国麻省理工学院的m e y e r 和h e y w o o d l 5 0 】借助p d p a ( 相位多普勒分析法) 测试手段，测量了o v i ( 气门开启喷射) 和c v i ( 气门关闭喷射) 两种喷射时刻 条件下缸内的液滴粒径分布。日本丰田公司的s h 加i ik u d o 和a k i mo h h a t a 等人 【2 2 】借助f i d ( 氢火焰离子化型分析) 测得的h c 来标定壁膜质量，o v i 和c v i 时气缸内壁和进气道内壁燃油质量。同时，研究了两种喷油时刻条件下，直接进 入气缸的燃油比例以及气缸内燃油蒸气的比例。美国伊利诺斯城乡大学的 y a n 曲i n gz 姐g 和c f l e e 【5 l 】通过三维c f d 数值模拟方式也对喷油时刻的影响进 行了探讨。不同喷油时刻条件下，模拟得到的混气形成过程完全不同。德国卡尔 斯鲁厄大学的9 0 ri b t t e n k o l b e r 等人【5 2 】用可视化和台架试验相结合的方法开 展研究，并用f i d 方法分析不同喷油时刻条件的排放。认为c v i 是一种预储存 喷射，缸内湿壁情况比较少，h c 排放较o v i 少。美国福特公司的s r u s s 等人 【5 3 】研究了两种喷油时刻条件下，缓慢改变节气门开度时混合气的动态响应。孙 勇 5 4 - 5 5 】用f i r e 软件数值模拟缸内直喷式汽油机混合气形成与燃烧，得出了有关 燃烧室压力、喷雾锥角、喷雾贯穿距以及喷雾液滴s m d ( 索特平均直径) 之间 山东建筑大学硕士学位论文 的相互关系，为g d i 汽油机喷雾特性的研究提供了很有价值的信息。汪淼【5 6 】等 人对汽油机喷雾碰壁和油膜形成进行了数值模拟，模拟结果与可视化实验进行了 对比，研究了各个参数对喷雾碰壁和油膜形成的影响，研究结果为汽油机进气道 喷射系统的没计提供了参考。 对于l p g 缸内直喷发动机的研究目前国内研究较少，大部分研究者都是利 用c f d 软件内部所带的喷雾模型，上海交通大学的屈碧波等把l p g 简化成单一 燃料丙烷进行数值计算，采用计算软件内部计算模型计算。近期山东建筑大学许 伯彦教授所带的课题组对l p g 缸内直喷发动机有了系统的研究，在a v lf i r e 软 件的计算模型的基础上修改了蒸发模型、物性参数等，是对喷雾的模拟更加符合 实验数据。 1 4 2 发动机燃烧模拟的发展 燃烧过程的研究对于发动机工作过程起关键作用，燃烧质量的好坏直接影响 到发动机的动力输出，燃料的经济性，以及排放性能。燃烧模型的选择直接决定 数值模拟的成功与否。 从上世纪二十年代以来，研究人员已丌始了对发动机燃烧过程的数值模拟工 作，各种燃烧模型被相继提出，同时研究人员还设计出了用于燃烧模拟的计算程 序。1 9 3 8 年，g m r a s s w e i l e r 等人提出了燃烧率分析模型用于计算均值燃料火花 塞点燃使得发动机，计算结果表明已然燃料的质量百分比等于燃烧室压力升高的 百分比。1 9 7 6 年，d r l a n c a s t e r 【5 7 】等人在k r i e g e r - b o 肌a n 放热率模型的基础上 考虑球形火焰面等几何因素，用此模型模拟瞬时湍流火焰速度。2 0 0 2 年，i y a z 和i c e l i k 用多区燃烧模型对敲缸现象进行了预测，此计算模型对于爆震研究有 着重要的意义。 燃烧模拟的精度取决于所采用的燃烧模型的精度。目前广泛应用的燃烧模型 是三维湍流燃烧模型有：涡破碎模型即e b ut y p ec o m b u s t i o nm o d e l ，特征时间 尺度燃烧模型即c h a r a c t 舒s t i ct i m es c a l em o d e l 模型，湍流火焰速度模型即 t u r b u l e n tf l a m e s p e e dc l o s u r em o d e l 模型，概率密度函数模型即t r 觚s p o r t e dp d f m o d e l 模型，相关火焰模型即c o h e r e n tf 1 锄e l e tm o d e l 模型。 1 5 本文研究的主要内容 根据l p g 的特殊物理属性，当液态l p g 直接喷入燃烧室时，会产生剧烈减 9 山东建筑大学硕士学位论文 压沸腾现象，此现象可以提高燃料的蒸发属性并使燃料在缸内有更好的混合。但 目前基于l p g 的物理属性，并在此基础上研究缸内混合气的形成，并根据相关 燃烧模型进一步研究燃烧与排放过程的研究工作开展的还是十分有限。为提高在 此领域的的研究深度，本文根据国标g b1 9 1 5 9 2 0 0 3 采用由6 0 ( 摩尔比) 丙烷 和4 0 ( 摩尔比) 正丁烷的混合物作为燃料，使用c f d 软件a v l 广f i r e ，选取内 部的喷雾、燃烧和排放模型综合研究l p g 缸内直喷发动机发动机的燃烧与排放 性能，为l p g 发动机丌发提供一种预期能力。完成的工作主要包括以下几个方 面： 1 ) 在a v l f i r e 内部计算模型的基础上，对l p g 的物性参数及蒸发模型进行 修正，以适用l p g 的特有属性，并根据可视化实验的实验结果验证选择和修正模 型的可行性，为进一步研究提供计算基础。 2 ) 在缸内计算所得的较好分层混合气的基础上，通过对不同点火时刻选择， 找到l p g 直喷发动机燃烧特点，得出其经济性、动力性和排放性的最佳配合。 3 ) 对发动机的排放模型进行了介绍，通过数值计算对主要排放物n o ，c o 和炭烟的生成做了详细分析，为预测排放物提供依据。 4 ) 利用c h e m k i n 软件，通过改变压缩比和转速对c o 和h c o 的排放进 行预测，为三维c f d 计算提供补充。 1 6 本论文的构成 第一章：阐述的当今能源形势，提出了发展替代燃料的必要性，进一步探讨 了发展l p g 汽车的问题和发动机数值模拟的的现状。 第二章：对c f d 软件a v l f i r e 做了简单的介绍，并对c f d 软件a v l f i r e 的喷雾模型简单介绍，对常用的湍流火焰速度模型、相关火焰模型、特征时间模 型等使用特点和应用差异做详细的介绍。 第三章：对提出的喷雾壁面复合引导做了简单介绍，通过实验结果和计算 结果的比较验证了所选择的喷雾和燃烧模型的可行性，为下面进行各工况、各条 件下的数值计算提供了依据。通过对分层稀燃过程中混合气的形成以及燃烧过程 的燃空当量比、缸内压力、温度场、浓度场等参数的分析，为l p g 直喷发动机 的结构设计和排放物的预测提供理论依据。 第四章：对氮氧化物和炭烟生成的机理做了描述，并对计算中所用的排放模 l o 山东建筑大学硕士学位论文 型做了详细介绍。对缸内排放物n o 、c o 和s o o t 的变化趋势做了详细的分析，对 燃烧过程中温度，氧气浓度对排放的影响进行了解析，为预测主要排放物提供了 数值解析的依据。 第五章：对化学动力学软件c h e m k 州作了介绍，利用c h e m k i n 软件， 通过改变压缩比和转速对c o 和h c o 的排放进行预测。 第六章：总结全文，并阐述本课题的难点，展望下一步的研究方向。 山东建筑大学硕士学位论文 1 2 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章发动机数值模拟的基本理论 2 1 c f d 数值模拟软件的简介 a v l f i r e 软件是奥地利a v i 。公司丌发的发动机c f d 专用软件，可以求解最 复杂的气体流动，包括进排气系统、进气道流动、内燃机缸内流动和洋细的喷雾 燃烧现象等f 5 8 】。从而指导优化进排气系统、水套、燃烧室结构、喷射参数和排 放物，卜成的降低等。本软件采用最先进的以网格面为基准的适用于任意形状多面 体网格的有限体积法求解技术，在同类c f d 软件中最早采用该技术。所提供的 湍流模型中除通用的模型外，还有a v l 提出的复合湍流模型一结合了k e 模型 的快速稳定性及r s m 模型的高精度。多相流模型在同类软件中具有最高水平， 体现在以下几个方面：真正的“多”相：允许任意多个相并考虑相与相之间的相互 作用；可将多流体与v o f 方法结合起来；可处理考虑体积力的相变过程如淬火 过程：对两个或多相中每相的处理完全是公平的。例如：对每相的湍流模拟是独 立的，同时又考虑各相i 日j 湍流的交互作用。在喷孔穴蚀模拟方面有丰富的经验； 上述所有功能都适用于非结构化多面体网格，移动网格，r e z o n e 和旋转坐标；f i r e 软件所带有的多个喷雾、燃烧模型适用范围之广，被认证的算例之多在同行是受 到公认的。结合先进的多相流技术，f i r e 不断推出新的更准确的喷雾模拟技术， 如将喷嘴内多相流计算与缸内喷射模拟结合起来。尾气后处理模型也是目前同类 软件中功能最为全面。同时f i r e 提供了用户自定义功能，用于自定义燃料及各 种子模型，这大大增强了软件的计算精度，针对不同燃料属性作出进一步的改进。 2 2 发动机喷雾模型 发动机的缸内燃料的喷射过程涉及一系列的物理变化。燃料由喷油器喷入缸 内，在高温、高压及紊流的作用下，射流先破碎成油滴，然后油滴继续向更小级 别的油滴颗粒破碎，同时伴有湍流扰动，变形，碰撞聚合和碰壁等一系列物理变 化过程，如图2 1 所示。 山东建筑大学硕士学位论文 2 2 1 气相控制方程 图2 ，l 喷雾的发展过程 这里只介绍最基本的质量、动量、能量守恒方程和湍流模型以及研究中 用到的喷雾模型。 ( 1 ) 连续性方程 譬+ 晏( 瓦，) = o ( 2 - 1 ) d f 似， ( 2 ) 动量守恒方程 昙( 瓦，) + 毒( 瓦面+ 万丽一；扩) + 考一_ g 裔2 。 ( 2 - 2 ) ( 3 ) 能量方程 昙c 劢，+ 考c 面万+ 莉一考c 昙考，一毒c 缈户鲁吨= 。( 2 3 ) 万：i 于+ 三i ； ( 2 4 ) ( 4 ) 状态方程 1 4 山东建筑大学硕士学位论文 对于可压缩流体，需要采用气体状态方程和热力学关系式作为上述基本控制 方程的补充【5 9 】： p - r 丁莓老 瓦= e 。( 丁) 丁 k = 瓦+ 等 e = 莓告 e = l 乜譬i m 彬) 2 ；告一一) 表2 1 变量名称及意义 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 变量名物理意义变营名物理意义 f时问 s h化学反应放出的热量 x j 空间坐标 r 温度 p密度 七 湍流脉动动能 沿坐标轴i ，j 方向的速度 蜥，吩 分量 p层流粘性系数 p 压力 g 湍流脉动动能的耗散率 作用在与i 方向垂直平面 勺 h 皤有效粘性系数 上的沿j 方向的应力 g 重力加速度 口经验系数 旯 热传导系数c l ，c 2 ，c3 经验系数 c p 定压比热比 c u经验系数 五 比焓，湍流长度尺度 r标准状况下的气体常数呒m 组分的摩尔质量 e mm 组分的内能m 组分的定容比热容 c p m m 组分的定压比热容 2 2 2 湍流模型 f i r e 的湍流模型有k - 双方程模型和雷诺应力( r s m ) 模型。r s m 模型的计 算精度比k 双方程模型高，但花费的时间也更多，为k e 双方程模型的4 至5 倍。在发动机模拟中常用的是k e 双方程模型： 昙c 盈，+ 考c 瓦啪考 万i 丐 + 万丽，等叫陋t 。， 山东建筑大学硕士学位论文