（机械设计及理论专业论文）液态lpg在闪急沸腾下的喷雾试验和数值模拟研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 液化石油气( l p g ) 与传统的石油燃料相比，具有成本低和低排放的优点， 被认为是汽车重要的替代燃料之一。但目前普遍使用的l p g 发动机大都采用气 念燃料供给系统，与传统的汽油发动机相比，存在动力性不足的缺点，而采用缸 内商喷( d i ) 液态l p g 喷射可有效地解决这个问题。燃油喷雾过程一直被认为 足影响发动机燃烧与排放性能的主要因素，因此为了能精确控制燃油喷射、优化 燃烧系统、改善排放性能和提高燃料利用率，非常有必要深入研究l p g 的喷雾 特性。为此，本文以纹影实验和数值模拟为主要的研究手段研究了液态l p g 的 喷雾特性。 通过广泛阅读国内外相关文献，本文详细阐述了闪急沸腾喷雾的特点和研究 现状，深入的分析了闪急沸腾喷雾蒸发与雾化混合机理。由于液态l p g 的物化性 质使其在喷出后会发生闪急沸腾现象，对燃料的雾化、蒸发有重要影响，但足现 有的c f d 软件中没有专门描述闪急沸腾现象的多相流模型，因此需要对软件中的 蒸发和碰撞模型进行修改和添加。 本文制作了液态l p g 喷雾可视化的测试装置，设计了根据一定的喷射顺序触 发喷嘴和c c d 相机获得在某一瞬间的喷雾图像的电控单元。使用高速c c d 相机和 光学纹影法分别拍摄了不同喷油压力下、直喷发动机用的相同喷孔径的旋流喷嘴 和非旋流喷嘴的液态l p g 自由喷雾过程。研究表明：随着喷油压力的逐渐升高， l p g 喷雾贯穿距离逐渐增大，喷雾锥角逐渐变小。在相同喷射压力下，由于闪急 沸腾的影响，l p g 的喷雾贯穿距离小于汽油的贯穿距离，而喷雾锥角则相反。在 相同的喷射压力下，旋流喷嘴的喷雾贯穿距离小于非旋流喷嘴贯穿距离，喷雾锥 角则相反，旋流喷嘴加速了喷雾的蒸发，燃油雾化效果更好，更有利于混合气形 成。 本文的另外一部分工作利用计算流体力学( c f d ) 通用软件f l r e 对液态l p g 喷雾过程进行数值模拟研究，通过去液态l p g 喷雾过程的数值模拟和试验结果 进行对比，验汪了数值模拟的可行性。结果表明：闪急沸腾现象加速了燃油的雾 化蒸发；随着液态l p g 喷射压力的逐渐增加，喷雾的贯穿距离增大，索特平均 直径逐渐减小；随着环境压力的升高，贯穿距离减小，液滴的索特甲均直径显著 山东建筑大学硕士学位论文 变小；不同的喷雾锥角对燃油的空间分布有较大的影响；较小的索特平均直径对 喷雾形态的影响较大，与环境气体的相互作用更明显。 关键词：液态l p g 喷射，喷雾，闪急沸腾，纹影法 山东建筑大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nv i s u a l i z a t i o na n dn u m e r i c a is i m u l a t i o no f l i q u i dp h a s el p gs p r a y i nt h ef i a s h i n gb o i i i n g s u n y e b o ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yq i n y u e x i a a b s t r a c t l i q u e f i e dp e t r o l e 啪g a s ( l p g ) h a sb e e nc o n s i d e r e d o n eo ft h ei m p o r t a l l t a l t e m a t i v ev e h i c l e 如e l sf 研i t sl o w e r 如e lc o s ta n dl o w e r 锄i s s i o n sc o m p a r e dw i t h 仃a d i t i o n a l p e t r 0 1 e u mm e l s c o m p 撕n gt o t h eo r j g i n a lg a s 0 1 i n ee n 西n e am a i n p r o m e mo ft h em o s tc o m m o nb e i n gu s e dl p ge n 百n e ，c o n v e r t e df r o mt h eg a s o l i n e e n 舀n ew i t ha m i x e ro rag a s e o u sp h a s ei n j e c t i o nf h e ls u p p l ys y s t 锄，i sm ep o w e rl o s s i nc o n t r a s t ，d i r e c ti n j e c t i o n( d i ) l i q u i dp h a s el p gi n j e c t i o ns e e n l st ob eab e t t e r c h o i c eo ft h e 如e ls u p p l ys y s t e ms i n c ei tw i l ln o tb n n gs u c hap r o b l e m s p r a yp r o c e s s h a ss i 印i f i c a n te f f e c to nc o n l b u s t i o na n de m i s s i o n so ft h ee n 百n e ，s oi ti s v e 叮 n e c e s s a r ya i l di m p o r t a n t t ou n d e r s t a n dt h el p g ss p r a yc h a r a c t 舐s t i c st oc o n t r o lt h e 如e li n j e c t i o n ，o p t i m i z et h ec o m b u s t i o n ，i m p r o v et h ee n l i s s i o n sa 1 1 dt h e ne x e nt h e 如e l sp o t e n t i a l t h e r e f o r e ，t h es p r a yc h a r a c t e r i s t i c so fl p ga r ei n v e s t i g a t e di nt h i s t h e s i su s i n gt h ev i s u a l i z a t i o nm e t h o da n dt h em u l t i - d i m e n s i o n a ln u m 嘶c a ls i m u l a t i o n m e t h o d i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h ed e t a i li n f o m l a t i o no fn a s hb o i l i n gs p r a yp h e n o m e n o n ， s oa r e rr e a d i n ga 蓼e a tn u m b e ro fl i t e r a t u r e so nr e i e v a n tr e s e a r c hf i e l d ，t h i sp a p e r i n 仃o d u c e sm eb a s i c 砸n c i p l e so fn a s hb o i l i n gs p r a ya n dd i 脓e n tc h a r a c t 甜s t i c s b e t w e e nm en a s hb o i l i n gs p r a ya n dt r a d i t i o n a ls p r a y t h ep h y s i c a la n dc h e l n i c a l p r o p 酣i e so fl i q u i dp h a s el p g c a u s et h en a s h i n gp h e n o m e n a h o w e v c r ，t h ee x i s t i n g c f ds o 俄v a r eh a sn o tt h em u l t i p h a s em o d e lt od e s c r i b et h ec o m p l e xp h 朗o m e n ao f n a s h i n s ot h ee v a p o r a t i o na n di m p i n g e m e n tm n c t i o no fs p r a ym o d e la r em o d i f i e d a n da d d e di ns o r w a r e t h i sp a p e rd e s i g n sat 鼯li n s t a l l a t i o n so fl p gs p r a yv i s u a l i z a t i o n ac o n t r o ld e “c ei s 山东建筑大学硕士学位论文 d e s i g n e dt oi r i g g e rt h ei n j e c t o ra n dt h ec c dc a m e r aa c c o r d i n g t oac e n a i nt i m es e q u e n c et o o b t a i nt h es p r a yi m a g ea tac e r t a i ni n s t a j l t s w i r li n j e c t e ra n dn o n s w i r li n j e c t e ro ft h e s 锄ed i 跏e t e ra r eu s e dt oc a p t u r et h ei m a g e so fi n s t a l l ts p r a y sa tt h ed i 触e n t i n j e c t i o np r e s s u r e b ya n a l y z i n gt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ，w i t ht h ei n j e c t i o np r e s s u r e i n c r e a s i n g ，t h es p r a yt i pp e n e t r a t i o ni si n c r e a s e dw h i l et h es p r a ya n 酉ei sd e c r e a s e d t h ef l a h i n gb o i l i n go fl p gm a k ei t s s p r a yt i pp e n e t r a t i o n l e s st h a nt h e g a s 0 1 i n e s ，w h i l et h es p r a ya n 百ei s 黟e a t c rt h a nt h eg a s o l i n e ss w i r li n j e c t o rh a s p r o m o t e dt h ea t o m i z a t i o na n de v 印o r a t i o no f1 i q u i dp h a s el p gt h a nt h en o n s w i r l i n j e c t e r ，t h e r e f o r e ，i tw i l lp r o d u c eam o r eh o m o g e n e o u sa i r 如e lm i x t u 陀 a n o t h e rp a no ft h ew o r ki nt h i sd i s s e n a t i o ni sn 啪甜c a ls i m u l a t i o nb yf i r e s 0 1 f 1 w a r eo fc f d t h es p m yp r o c e s so ft h el i q u i dp h a s el p gi ss t u d i e db yn 啪丽c a l m e t h o dt h es p r a ym o d e li sv a l i d a t e db yb e i n gc o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so fs i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a tf l a s hb o i l i n gp h e l l o m e n o ni sa c c e l e r a t e dt h e 如e la t o m i z a t i o ne v a p o r a t i o n ；t h es p r a yp e n e t r a t i o ni si n c r e a s e dw i t ht h ei n j e c t i o n p r e s s u r e ；w i t ht h ei n c r e a s eo fa m b i e l l tp r e s s u r et h es p r a yp e n e t r a t i o ni sd e c r e a s e d 锄d t h es a u t e rm e a nd i 锄e t e r ( s m d ) i sd i m i n i s h e dd i s t i n c t l y ；d i 行e 鼻e n ts p r a ya i l g l eh a v e al a 唱e ri m p a c to nt h es p a c ed i s 俑b u t i o no ft h e 向e l ；t h ei n t e r a c t i o no fs m a l l e rs a u t e r m e a l ld i 锄e t e r ( s m d ) a n dt h ea l l l b i e n tg a si sm o r eo b v i o u s k e yw o r d s ：“q u i dp h a s el p g 询e c t i o n ，s p 豫y ，啦a s h i n gb o i l i n g ，s c h l i e r e n p h o t o 皇群巾h y i v 山东建筑大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 引言 近年来，能源是人类赖以生存和发展的重要物质基础之，化工能源( 主要 指煤、石油、天然气) 仍然是当今世界的卡要能源，我国是一个贫油、贫气、富 煤的因家，根据已有资料的统计，我国已探明石油的可采储量约占世界储量的 2 3 ，天然气可采储量占世界储量的o 9 ，煤炭的町采储量约占世界储量的 1 1 6 ，若按人均储最汁算的话则均在世界人均值之下f l j 。随着我国经济的发展， 汽车工业也得到了迅猛发展，具有轿车购买能力的人越来越多，这将导致世界机 动车保有量的迅速增长，据统计2 0 0 9 年术全国机动车的数量大约有7 6 19 万辆， 比2 0 0 8 年增长了1 7 8 ，且以每年平均增长率1 0 以上的速度增长【2 5 1 ，据专家 预测，到2 0 3 0 年世界汽车保有量将达到1 0 亿辆【刚。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，它已经是现代经济社会必不可少的交通工具，也 足人类文明的重要标志之一。但是随着汽车保有量的迅猛增长，机动车尾气污染 问题更显严重，也造成了人类生存环境的恶化和大量的能源消耗，现在汽车燃料 的消耗量占据了世界石油开采量的5 0 以上，城市大气污染物的6 0 7 0 来自 汽车的排放物，由汽车尾气排放引起的坏境问题日益严重，己成为决定内燃机能 否作为汽车动力继续存在下去的重要问题。 一直以来，汽油和柴油作为机动车的主要燃料，它们在不完全燃烧中产生一 些有害物质，主要有硫氧化物、氮氧化物( n o 。) 、一氧化碳( c o ) 和微粒等， c o 无色无味，当被吸入人体后，极易与血红蛋白结合，其亲合力比0 2 约大2 0 0 3 0 0 倍，使血红蛋白失去携氧能力，产生中毒现象，n o 。既有害于人体健康，还 会腐蚀建筑物，并能导致形成酸雨和光化学烟雾，被列为大气中的重要污染物， 成为世界大气环境恶化的最主要原因之一。1 9 4 3 年美国洛杉矶市发生的“光化学 烟雾”敲响了警钟。自从1 9 6 6 年美国颁布了第一个限制尾气排放法规以来，世界 上很多国家相继颁布各种法规柬制约尾气排放。目前尾气治理工作初见成效，美 国、f 1 本和欧洲各国的汽车排放水平与1 9 7 0 年排放水平相比已降低了3 9 以上 【7 】，但由于目前全世界机动车的数量急速增长，治理尾气排放的工作仍然任重而 道远。 山东建筑大学硕士学位论文 由于内燃机的替代燃料都是比较清洁的燃料，因此它既能起到节约石油消耗 降低汽车尾气排放的作用，又能起到保护环境减少温室效应的作用，因此我国在 “十五”工业结构调整规划纲要中，明确提出“积极推进代用燃料汽车的应用”【3 】。 寻求汽车替代燃料就成为当前重要的研究内容。液化石油气( l p g ) 与传统的石 油燃料相对，具有成本较低和低排放的优点，成为当前汽车发动机代用燃料之一， 掘t e x a sa & m 大学的研究者f 9 】试验，l p g 燃烧后生成的有害物质低于美国联邦车 辆排放标准。s i 即e n s 【1 0 1 和l u h m a n 【1 1 等人的研究表明l p g 汽车排放出的污染物量 极少，另外一些研究结果表明l p g 燃烧后尾气排放方面比燃用汽油时有明显改善 【1 2 。7 1 。一些研究者对国内现有的l p g 进行改装，通过采用电控燃料喷射系统，结 果发现改装后的l p g 发动机尾气排放物质能达到或好于欧i i 排放标准【喀圳】，与传 统燃料相对有明显的改掣2 2 掰】，也有学者研究非电控喷射条件下n o x 的排放比燃 用汽油时有所增加。c h e n 等【2 8 】在研究中将l p g 与二甲醚掺和在一起，作为试验 燃料，结果表明它们能有效地促进燃料燃烧，尾气中排出的氮氧化物等有害物质 明显减少。 1 2 替代燃料的研究现状 1 2 1 醇类燃料 醇类燃料包括甲醇和乙醇，由于醇类的物理化学性质最接近石油燃料，可直 接在汽车上应用。其优点是在常温常压下为液态物质，可以很方便的储存和运输， 同时其粘度低、含氧，在发动机上燃烧时不产生黑烟，排放微粒很小，对环境污 染性小。但甲醇有毒性，对人体神经系统有损伤，而且冷启动性较差和对金属的 腐蚀性，故只在用于特定的试验研究。乙醇是目前大面积推广的清洁燃料，这主 要是因为乙醇是含氧燃料，在燃烧过程中能产生自供氧反应，使发动机缸内燃烧 更加充分，可以在稀薄混合气下燃烧，从而降低了氮氧化合物的产生。同时，乙 醇可以从粮食和秸秆中酿制，属于可再生资源。但醇类燃料的十六烷值较低，着 火性能不好，在压燃式发动机上使用时需要采用火花塞、电热塞或热面点火，或 者再低比例掺烧时用十六烷值改进剂，改善其着火性能。 1 2 2 生物柴油 2 山东建筑大学硕士学位论文 生物柴油是指植物油与叶i 孵进i j 二酯交换制造的脂肪酸f | 酯，是一种洁净的，匕 物燃料，也称之为“再生燃油”。“生物柴油”足一一种石油替代品。众所周知， 普通柴油是从石油中提炼的，而“牛物柴油则可从动物、植物的脂肪中提取， 位荚圈，日前主要从大豆f f l 提取，足种沽净的可再生的清沾能源。这是区l 为 荚附的人可产量很高，价格也便。 ：l = 。此外，用“生物柴油”作汽车燃料对环保也 彳j 积极意义排放的废7i 所禽的：氧化碳远没有用普通柴油那么多，而二氧化 碳i f i 是加剧温室效应的罪魁祸阿。 通过对生物柴油与普通柴油进 j ：比较，可以看出生物柴油具有下述优点： 1 ) 由于生物柴油中硫，己素的含昔比普通柴油低很多，因此其燃烧后产生的 排放污染物比普通柴油少很多，对环境起到良好的保护作用。 2 ) 当生物柴油作为汽币燃料时，由于其臼身的物化性质，可以使汽车在较 低的环境温度下启动起来。 3 ) ，i 物柴油在使用过程中有+ 。定的润滑作用，可以减少发动机一些零部件 的运转磨损，从而延长这些零部件的使用时间。 4 ) 生物柴油的l 人j 点比普通柴油高，安全性较好，可以放心储藏、运输和使 用。 5 ) 生物柴油的十六烷值高于普通柴油，自然温度相对较低，因此其燃烧性 能较好。 尽管生物柴油有上述许多优点，但由于它本身固有的特性使它作为柴油机燃 料还存在许多需克服的问题。十六烷值比柴油低，着火温度和闪点比柴油高，因 此着火性能较差：生物柴油的粘度比柴油高，对发动机的冷启动性和喷雾特性有 影响；同时生物柴油中含有少许杂质，其本身的重馏分多，挥发性较差，易产生 积碳，造成运动零件的磨损。 1 2 3 二甲醚( d m e ) 燃料 由于d m e 良好的物理化学性质，其作为发动机替代燃料收到人们的广泛关 注。d m e 的分子式为c h 3 o c h 3 ，是一种简单的醚结构。由于其分子中没有 c ，c 键，故在燃烧产物中不易产生微粒。二甲醚分子中的氧含量较高，利于在 稀薄燃烧。d m e 的十六烷值 5 5 ，比轻柴油高。白燃温度又低于轻柴油，故 、，7 4 ，、一 适合作为轻柴油的替代燃料，使发动机滞燃期变短，自利了二减少氮氧化物的产生； 山东建筑大学硕士学位论文 刚时d m e 的沸点较低，有利于混合气的形成，使发动机具有较好的冷启动性。 现n ：随着二甲醚生产工艺的提高，使d m e 的成本明显降低，为d m e 作为发动机 替代燃料提供了有利条件。但d m e 在应用过程中也存在一些问题，比如二甲醚 在柴油机一t ：使用时，最大的问题是供油系统。由于二甲醚低沸点( 一2 0 ) 使其 易气化，在供油过程中需要加压；其次d m e 对橡胶元件有一定的腐蚀性，若长 鲥】拨触，会使其，陀能恶化；再次d m e 朱i 度低，使供油系统部件易磨损，不易解 决磨损禾l 密封问题。据研究资料表明，当二甲醚作为发动机的替代燃料后，氮氧 化物 刃湿改善，仅为燃用柴油时的5 0 ，减少了c o 和h c 的产生，可实现无烟燃 烧。 1 2 4 压缩天然气( c n g ) 天然气的主要成分为甲烷( c h 4 ) ，含量一般为9 0 以上。天然气的辛烷值 比汽油高，可以提高压缩比，天然气是一种清洁燃料，与空气混合所需要的能量 较少，有利于均匀混合气的形成，高负荷时氮氧化物、c o 、h c 排放较少，不易 产生黑烟。在低负荷时，由于天然气的自然温度较高，易产生c o 。h c 。天然气 的质量低热值高于汽油，但由于其本身是气体，可使火花点火发动机功率和扭矩 输出下降：天然气的着火界限偏向浓侧，这需要天然气发动机采用电控方式，获 得精确的点火定时控制和过量空气系数。c n g 最初在柴油机上采用的进气为缸 外预混合形式，易改装成双燃料进气系统。大量实验证明，双燃料发动机可以保 持原来发动机的动力性，降低烟度排放；但也存在_ 二些问题，由于燃料本身的特 性和发动机的构造，天然气发动机功率比使用汽油有明显下降；汽车以天然气作 为燃料时，发现燃烧室部件明显腐蚀，甚至曲轴也出现腐蚀，气门、活塞环和气 缸磨损严重。天然气汽车在燃烧过程的各项指标有不同幅度的提高，燃烧速度加 快；在高替代率下，燃烧过程的循环变动有所降低，提高了燃烧的稳定性；发动 机小负荷的有效热效率提高；排放性能得以优化，特别是碳氢( h c ) 排放有大 幅度降低。因此c n g 作为石油的替代燃料，具有良好的发展前景。 1 2 5 液化石油气( l p g ) 液化石油气( l i q u e f i e dp e t r o l e u mg a s ) 简称l p g ，其主要成分是是以c 3 和c 4 为卡的烃类，即内烷( c 3 h 8 ) 、丁烷( c 4 h l o ) 、丙烯( c 3 h 6 ) 、丁烯( c 4 h 8 ) 等石油系轻 烃类化合物的片构体。l p g 与其他燃料比较，具有以下独特的优点。如辛烷 4 山东建筑大学硕士学位论文 值高，适合用于点燃式发动机；属于气体燃料，有利于混合气的形成，燃烧充分， 具有优良的净化性能。经过实验研究表明，车用l p g 作为汽油机燃料时，动力性 低于汽油，但在稀混合气区，车用l p g 的功率高于汽油；在整个负荷范【目内，车 用l p g 的燃料经济性能均优于汽油，在柴油机上进行l p g 柴油双燃料实验，结 果表明，双燃料发动机可以有效降低碳炯和n o x 的排放，但h c 和c o 的排放有所 增加。 1 3l p g 的物化性质和燃料特性 1 3 1l p g 的物理化学性质 液化石油气( l i q u e f i e dp e t r 0 1 e u mg a s ) 简称l p g ，主要是由内烷( c 3 h 8 ) 、丁烷 ( c 4 h l o ) 、丙烯( c 3 h 6 ) 、丁烯( c 4 h 8 ) 等组成的。它在标准大气压下是一种无色无味 的气体，当对气态l p g 进行加压后易变成液态，因此目前使用的l p g 主要以液念 形式储藏、运输。作为车辆替代燃料的l p g 的主要由丙烷和丁烷组成，因此本节 需要对丙烷和丁烷的物理化学性质进行研究，表对l p g 、甲烷、和汽油的物 理化学性质进行了比较( 2 9 】： 1 3 2l p g 的燃料特性 从表1 1 中可以看出，l p g 作为发动机替代燃料有如下特点： 1 ) l p g 中的丙烷和正丁烷的低热值都高于汽油，但其混合气热值低于汽 油。 2 ) l p g 的辛烷值高于汽油，抗爆性好，压缩比较高，既可以改善发动机的 动力性又能节省燃料。 3 ) l p g 的着火温度高于汽油的，这说明l p g 不易点燃，因此在火花点火 发动机中需要较高的点火能量，不适用于压燃发动机。 4 ) l p g 的最高燃烧温度比汽油的最高燃烧温度低2 0 0 ，因此在燃烧过程 中能减少n o 。污染物的生成。 表1 1l p g 、甲烷和汽油的物化性质对比 l p g 汽油 性质甲烷 丙烷止j 烷 ( 9 0 “) 分子式c 3 h 8c 4 h l o c h 4c 5 c 1 2 山东建筑大学硕士学位论文 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 8o 7 1 5 沸点( ) 4 2 151 6 1 53 0 9 0 饱和蒸气压( m p a ) ( 2 0 ) o 8 40 2 0 0 5 临界温度( ) 9 6 71 5 28 2 6 临界，l 力( m p a ) 4 2 53 84 6 2 气化渐热( k j k g ) 4 2 63 8 55 1 03 1 0 3 4 0 质域比 1 5 6 5 1 5 4 3 1 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 k g ) 4 5 7 74 6 3 95 0 0 54 3 9 0 混合气热值( m j m 3 ) 3 4 93 5 23 3 93 7 3 辛烷值( r o n ) 1 1 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( n l 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 3 3 燃用l p g 发动机的特点 l p g 与汽油的物理化学性质有明显不同，l p g 的粘度、饱和蒸汽压和表面张 力值都低于汽油，这就决定了l p g 发动机具有与普通汽油发动机不同的特性。现 在从燃料供应、经济性、尾气排放和动力性等方面进行分析。 1 ) 燃料供应 根据l p g 的物理化学性质，l p g 发动机既可以采用气态燃料供应方式又可 采用液态燃料供应方式。采用气态燃料供应的方式能实现对空燃比的精确控制， 缺点是会造成充气效率下降，影响汽车动力性。液念燃料供应方式主要采用电控 喷射技术，需要对l p g 进行加压，使其保持液化，液态喷射对提高汽车动力性 有明显改观。因此本文主要研究的液态l p g 喷射发展情况。 2 ) 经济性 虽然l p g 的混合气热值比汽油低，但其单位质量低热值和辛烷值都高于汽 6 山东建筑大学硕士学位论文 油，抗爆性能好，可以增大汽车的压缩比，提高汽车的动力性和经济性。而且 l p g 在常温下易储运，适合汽车使用，价格也比汽油低。 3 ) 低排放性 低污染排放足 j 前人力发展l p g 发动机的重要原因之一。l p g 汽车排放的 有害物质与汽油、柴油汽车棚比，碳氢( h c ) 和c o 的产生有明显下降，氮氧化物 ( n o 、) 和：一：氧化碳的排放大大降低，碳烟( p m ) 可基本消除。据t e x a sa & m 大 学的研究表明，l p g 发动机污染排放量低于美国联邦车辆排放标准，n m h c ( 非 甲烷碳氢化合物) 、c o 及n o 。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 ) ( 除了n o 。以外，其它指标均好于汽油) 【3 0 1 。 4 ) 动力性 汽油发动机改燃崩l p g 之后，最主要的问题是动力性下降，其原因是当l p g 以气态方式供应时，会造成充气效率下降，影响汽车动力性。有研究者对原汽油 。 机改用l p g 后，其最大功率下降了1 3 7 1 。目前可以采用两种方式来改善动力性 不足的问题：一是采用进气道液态燃油喷射技术，可以改善动力性不足的缺陷； 二是就是采用液态l p g 缸内直接喷射技术，该技术可以大人提高l p g 发动机的动 力性，具有良好的应用前景。 1 4l p g 汽车技术的发展现状 随着科技水平和人们生活水平的不断提高，越来越多的人们有能力购买汽 车，汽车在满足人们出行需求的同时，也消耗了大量的能源并给环境造成了严重 污染。因此世界各国都致力于寻找新型替代能源。l p g 以其良好的经济性和低排 放性，让研究者对其青睐有加，早在3 0 年代美国就已经丌始利用l p g 作为燃料， 对传统燃料的汽车进行改装。5 0 年代苏联将汽油和l p g 作为汽车的双燃料，制造 出液气两用汽车。之后同本也将l p g 作为出租车的试用燃料，取得了良好效果， 并丌始向各个城市进行推广，到2 0 世纪木，东京的出租车9 6 以上是使用l p g 作 为汽车燃料。据统计2 0 0 8 年，世界上l p g 汽车的保有量约有1 4 6 2 万辆，可知l p g 汽车在世界范围内得到广泛应用，前景非常广阔。 在我国，6 0 年代就报道过将l p g 作为汽车燃料使用，但其推广普及却进展 缓慢。随着国家加大对环保要求的认识和对汽车能源多元化的重视。自从1 9 9 9 年我国启动“空气净化工程，清洁汽车行动”以来，我图l p g 汽车的研究和应 山东建筑大学硕士学位论文 用有较大发展，取得了明鼹成效。相关科研机构和高校丌始丌展多项l p g 汽车 技术研究工作，例如l p g 样车的试用及相关研究工作、l p g 汽车应用关键技术 的研究、l p g 车辆大规模生产与改装技术研究、l p g 车辆应用对城市大气环境 的影响评价、l p g 车辆应用综合技术经济性分析和l p g 整车生产与车辆匹配的 关键技术研究等，这些研究取得的成果为我国l p g 汽车的推广应用提供了非常 有价值的技术保障。 但是由于我国l p g 汽车技术还不成熟，l p g 汽车保有量有下滑趋势，主要 原因有以下几点： 1 ) 加气站配套设施建设滞后于需求，l p g 加气站较少。 2 ) 对制造使用l p g 装置和l p g 汽车缺乏相关管理法规，且性能质餐和安 全可靠性没有经过系统的测试。 3 ) l p g 喷射技术还停留在第一、二代水平，技术水平远远落后于发达国家。 目前l p g 汽车技术大致经历了四个发展阶段：第一阶段为混合器式燃料供 应方式，第二阶段为l p g 电子控制燃料供应方式，第三阶段为l p g 进气管电控 喷射方式，第四阶段为l p g 缸内直喷喷射方式。 第一阶段混合器式燃料供应方式：通过在节气门前安装混合器与空气混合， 形成较均匀混合气后被吸入气缸，该方式的发动机结构简单，成本低。但主要缺 点是l p g 易汽化，挤占气体容积，使得发动机充气效率下降，由于l p g 的供气 量不易控制，瞬态空燃比的波动大，排放指标很难满足现代的排放法规。这种方 式的l p g 发动机功率较原汽油机功率下降1 0 左右，目前我国改装的l p g 汽车 大多使用这种方式。 第二阶段为l p g 电子控制燃料供应方式：在第一阶段的基础上加装电子控 制单元( e c u ) ，对发动机转速、进气管压力和氧含量等信号进行分析，进而调节 l p g 的供应量，然后在混合器中与空气混合，使发动机的空燃比控制在合理范 围内，该方式类似于电控化油器阶段。由于能根据不同工况较准确的控制l p g 的供应量，故能较好的改善汽车的动力经济性和排放性。 第三阶段为l p g 进气管电控喷射方式：当采用气态喷射时，排放指标明显 优于前两个阶段，但喷射后气态l p g 占有进气容积，造成汽车动力性下降，一 般较原汽油机功率会下降5 1 0 。采用液态l p g 多点电控喷射( m p i ) 方式能 山东建筑大学硕士学位论文 有效地提高发动机的动力性，发动机的功率与原汽油机持甲。采用进气歧管液态 喷射方式其主要原因有： 1 ) 当l p g 以液念形式喷入剑进气歧管后，会发生汽化，在其过程中从外界 吸收大量的热量，促使进7 温度卜降，从面改善了充气效率。 2 ) 在喷射过程中会有部分液态l p g 未完全汽化，使进气量增加，有利于改 善允，l 效率。 3 ) 当液态l p g 喷入到进气歧管后，有部分未完全汽化就进入到燃烧窜中， 陔部分液念l p g 需要吸收燃烧窀热量用来汽化，此过程降低了燃烧室温度，有 利于减少燃油燃烧过程中n 0 ，的生成。 4 ) 采用进气管电控喷射方式，使燃油供给更加精确合理，能把保证发动机 在不同复杂j 1 ：况下燃料的充足供应。 第列阶段为液态l p g 缸内f i 喷( d i ) 喷射方式。它是目前l p g 发动机发展方 向。这种方式将l p g 喷嘴安装在气缸盖上，把l p g 燃料直接喷射到发动机的燃 烧室内，这种喷射方式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： 作效率。缸内直接喷射以其燃料经济性、瞬念响应和冷启动时 h c 排放低的优势成为研究热剧3 6 1 。 1 5 本文的主要工作内容 由表1 1 可以看出，丙烷和丁烷的沸点比较低，常温下的饱和蒸气压较高。 当液态l p g 以+ 4 定的喷射压力喷入到大气中，会发生剧烈的闪急沸腾现象。因 此l p g 的喷射特性和汽油有明显的不同，目f ；i f 随着清洁燃料的使用，l p gj 下越 来越多的被使用，所以研究l p g 的喷雾特性具有非常重要的意义。 本文研究的主要目的是应用光学纹影法试验和数值模拟为主要的研究手段 考察液态l p g 在不同的喷射压力下( 1 8 m p a ) 的喷雾特性。拟完成的主要工作 有以下三个方面： 1 ) 建立l p g 喷雾可视化试验装置。选用光学纹影法试验，获取l p g 喷雾 的瞬间图像。 2 ) 分别完成旋流和非旋流喷嘴在模拟缸内直喷喷射条件下的l p g 喷雾试 验，考察在不同喷射压力下的l p g 喷雾发展过程，以及各自喷雾特性包括喷雾 贯穿距离、喷雾锥角、气液相面积随时间的变化规律。 9 山东建筑大学硕士学位论文 3 1 通过c f d 数值模拟的方法研究了坏境背压、喷油压力、喷雾锥角、喷雾 液滴的s m d 等因素对旋流喷雾特性的影响，将计算结果与实验结果进行对比， 验证计算方法的可行性。 1 6 本论文的构成概要 本文主要研究旋流喷嘴和非旋流喷嘴的液态l p g 自由喷雾，由于l p g 在常 温& 常爱下的存在方式为气念形式，所以当液念l p g 以较高喷射压力下从喷嘴喷 入到大气环境时，l p g 要发生剧烈的减压沸腾现象。因此本文将对液态l p g 在 闪急沸腾下的喷雾特性进行研究，并基于此介绍了本文的主要研究内容。 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。 第二章：介绍了l p g 燃料闪急沸腾雾化的机理，描述了液态l p g 喷雾过程 中液滴的蒸发模型、破碎模型和湍流扩散模型，并在闪急沸腾现象研究的基础上 对软件原有的模型进行了改进，将闪急沸腾现象对液滴和周围空气之问的影响编 入方程，对原有的方程进行修。正。 第三章：介绍了光学纹影方法的基本原理。建立了纹影可视化试验装置，分 别完成旋流和非旋流喷嘴在模拟缸内直喷喷射条件下的l p g 喷雾试验，获得不 同喷射压力下的l p g 喷雾发展过程图像，对其喷雾特性包括油束外形、喷雾贯 穿距离、喷雾锥角、气液相面积随时i 日j 的变化规律进行分析。 第四章：通过c f d 数值模拟的方法研究了诩急沸腾、燃烧室压力、喷油压力、 喷雾锥角和喷雾液滴的s m d 等因素对旋流喷雾特性的影响。 第五章：总结全文，并对以后的研究方向作了展望。 l o 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章闪急沸腾喷雾雾化机理研究 2 1 闪急沸腾喷雾的基本原理 闪急沸腾喷雾作为一种新的燃油喷射策略，在内燃机方面受到极大重视，可 以较好地改善燃油的喷雾贯穿距离、喷雾锥角、索特j f 均汽径筲，对燃油的蒸发 雾化有极大的促进作用。因此本章对l 人j 急沸腾现象进行深入分析。根据液念燃油 性质的不同，闪急沸腾喷雾主要分为过热燃油闪急沸腾喷雾和溶气燃油闪急沸腾 喷雾。 2 1 1 过热燃油闪急沸腾喷雾 过热燃油闪急沸腾喷雾是指预先把燃油加热到发动机缸内压力对应的燃油 饱和温度以上，当燃油喷入气缸后，其压力会迅速降低到其饱和蒸汽压以下，就 会出现剧烈的沸腾现象，发生闪急沸腾喷雾。 - o 比 图2 1 常规喷雾和闪急沸腾喷雾的压力变化 图2 1 示出了常规喷雾和闪急沸腾喷雾过程中的压力变化。常规喷雾的喷射 过程如图中的1 2 所示。在整个燃油喷射过程中，由于燃油温度始终低于气体压 力所对应的燃油饱和温度，因此喷雾的整个过程都发生于液核区，是液液喷射 过程【3 7 1 ，不会发生闪急沸腾现象。闪急沸腾喷雾产生过程山图中的直线1 一2 3 4 所示。燃油通过喷嘴喷出后，压力丌始降低，当压力由1 ，点降至2 点时，其压力 仍大卡燃油温度所对应的饱和蒸汽压，故彳会发生闪急沸腾现象。当压力出点2 山东建筑大学硕士学位论文 降至点3 时，其压力低于液态温度对应的饱和蒸汽爪后，进入矿稳念过热液相区 时，蒸气泡将会不断的形成和生长。当压力由3 点降至4 点h 寸，压力低于过热极 限所对应的压力并降低至环境压力，气泡集结和生长速率急剧加快，最终克服表 面张力产生破碎和分裂，发生闪急沸腾现象。 2 1 2 溶气燃油闪急沸腾喷雾 溶t 燃油闪急沸腾喷射是在喷射前，利j j 离小将试验7e 体与液态燃油相溶 合，形成高压气液混合燃油。当高压溶气燃油喷入到低瓜高温环境时，溶气的过 热度增加，气体发生膨胀，形成气泡并生长，在喷嘴出口处溶气急剧释放，克服 液态燃油的粘性力和表面张力而发生气爆雾化，并产生剧烈的闪急沸腾现象。溶 气燃油是利用了气液两种不同状态物理物性来实现闪急沸腾喷射，气相的膨胀裂 爆可以达到改善液态燃油喷雾特性的目的。 r 出 0 温度 图2 2 溶气燃油喷射过程的压力与温度变化 如图2 2 所示，当溶气燃油喷入气缸后，从a 点到b 点的过程中，溶气燃油压 力穿过饱和液相线，压力急速下降到b 点的气缸内环境压力，在气液两相区内形 成油气液滴；从b 点到c 点的过程中，溶气燃油在气缸内被急剧加热而迅速升温， 油气液滴内产生气泡并逐渐生长，最终克服油膜表面张力，造成破碎，产生强烈 的微爆效应，从而明显的改善了燃油的雾化质量。当溶气燃油温度穿过图中所示 的饱和蒸汽线后，气泡集结和生长速率急剧加快，最终克服表面张力产型i 破碎和 1 2 山东建筑大学硕士学位论文 分裂，发生l 人j 急沸腾现象。实际上，依靠环境条件不同和溶气量的多少，气泡的 成长速度不同，气泡的爆裂也可能发生在喷射完成以后产生“微爆”效应，形成 二：次雾化。进行溶气燃油燃料设汁主要目的之一是利用溶气燃油的减压沸腾喷射 来改善液态燃油的雾化和燃烧，当然也有利用一些溶解气体的特有物性来影响燃 油燃烧特性的目的。 2 2 闪急沸腾喷雾的研究概况 在内燃机方面，闪急沸腾现象对燃料的混合气形成及雾化，改善燃烧和排放 特性具有重要意义。k i m 等【3 8 】通过在缸内直喷发动机上的实验表明在喷射前加热 乙醇燃料使其液体的温度高于缸内压力对应的饱和温度，在喷出后实现了闪急沸 腾，减小s m d ( 索特平均直径) ，提高了发动机的动力性和经济性。m e s m a n ，p h 和v e e n h u i z e n ，b 【3 9 】在定容燃烧装置内使用不弦d 喷嘴喷射液态l p g ，实验表明喷 射压力和环境背压对l p g 的喷雾特性有较大影响，同时闪急沸腾能很大程度上改 变燃油的喷雾锥角。g e m c i 等( 4 0 】发现较高的过热温度会减小燃料索特平均直径， 增加喷射压力可以加快燃料气化过程。v a n d e r w e g e 等f 4 i 】使用相位多普勒粒子分 析仪研究了环境背压和燃料温度对喷雾锥角和索特平均直径的影响，发现减小环 境背压或提高燃