LPG发动机进气过程的计算机数值模拟

1、 山东建筑大学 毕业设计开题报告学生姓名： 学 号： 所在学院： 机电工程学院 专 业： 机械工程及自动化 设计题目： LPG发动机进气过程计算机数值模拟 指导教师： 2006年4月20日山东建筑工程学院毕业论文开题报告班级：机方022 姓名：耿德强论文题目LPG发动机进气过程的计算机数值模拟一、 选题背景和意义：近年来，经济的发展，机动车的数量急剧上升，全球的汽车保有量达到8亿辆，以全球65亿人口计算，平均每8人就有一人拥有汽车。有关部门预测，五年后的2010年,我国汽车保有量将翻一番,达到5500万辆左右。汽车保有量的增加，在促进国民经济增长的同时也将带来巨大的环境压力和能源紧张问题。另外

2、世界范围的石油紧缺和越来越严峻的环境污染问题使一百多年来以柴油和汽油为主要燃料的汽车面临着新的挑战。因此世界各国汽车生产商不得不斥巨资完善汽车技术，如稀薄燃烧技术、三菱公司开发得汽油缸内直喷技术(GDI)、可变进气谐振技术、均质压燃技术等。但是由于柴油和汽油的燃料性质决定了以其作为燃料的汽车降低尾气排放的潜力不大，以及未来世界可利用的石油资源储量有限，因此寻求替代能源已成为关系汽车发展前途的生死有关的课题。目前世界上正在加紧研制的混合动力汽车、燃料电池汽车以及太阳能汽车，使人们看到了实现零排放的希望，但这些汽车存在制造成本和使用成本太高，通用性差等问题。燃料电池汽车价格非常高，氢燃料的搭载技术

3、等问题短期内还难以解决，制约了它的实用化。而混合动力汽车的动力源现在仍采用传统的汽油机或柴油机，因此从燃料来源的多样化以及降低对石油资源的过分依赖和减少有害气体排放等考虑，世界各国都在积极研究各种汽车清洁燃料。液化石油气(LPG)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HC下降70左右，CO下降90，氮氧化物NOx下降30左右，二氧化碳下降20左右，碳烟（PM）可基本消除，因此液化石油气(Liquefied Petroleum Gas)已成为当前国际上最具有推广价值的低污染燃料之一，尤其适用于城市公交车和出租车汽车。仅以2000年我国石油催化裂解

4、生产能力9285万吨计算，全年产LPG 1006万吨，若参考国外根据一年的不同季节来调整车用LPG内的丙烷/丁烷比例时，可生产车用LPG约200万吨/年，而且近年来我国也从海外大量进口LPG，市场应用前景非常广阔。目前所应用的LPG液态电喷发动机几乎主要是预混合均匀燃烧方式，这使得在发动机最常使用的部分负荷工况时仍存在燃料经济性不好等问题。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效的措施之一，使发动机的热效率可提高1015。今后采用分层稀薄燃烧方式将成为国内外LPG液态喷射发动机研究关注的热点。因此本课题采用数值解析和光学可视化方法来揭示液态LPG喷射气体流动过程与缸内混合气分层构

5、造之间的关系。通过本课题的研究将建立一个较系统的研究LPG液态喷射的喷雾现象的数学模型，并添加到现有的通用CFD软件，以及对后续的进气过程、压缩过程的缸内流场的数值解析方法，这将为LPG液态喷射发动机在部分负荷工况下实现气缸内混合气的分层构造提供理论依据。通过本课题的研究，不但在LPG液态喷射发动机缸内混合气形成过程的理论研究上接近国外的技术水平，而且为在我国推广该技术提供重要的理论和技术支持。二、课题关键问题及难点：研究的关键内容：1)利用通用CFD软件Fire8.2数值模拟从LPG喷射阀喷出的三维液态LPG自由喷雾的过程。2)数值模拟液态LPG在进气歧管内与进气阀冲突并反射的过程。3) 数

6、值解析液态LPG喷雾在进气、压缩过程中的缸内流场主要难点：1、由于现有的软件中的喷雾模型不能很好的描述本课题的剧烈减压沸腾现象，因此需要建立一个新的喷雾模型，将由于减压沸腾中产生的气泡引起的蒸发量、由于过热度引起的蒸发量以及由于热传递引起的蒸发量通过User Function编程，加入到Fire中去。2、为了避免部分负荷下HC排放的增加，本文提出了分层稀薄燃烧。在前端向内弯曲的进气道和向内呈渐缩形布置的隔板,强化沿滚流方向的进气门正面的流动，以减少与滚流方向相反的进气门背面的流动，并防止和抑制沿滚流轴线方向的燃料浓度的扩散。在压缩过程接近终了时，火花塞附近集中易于点火的较浓混合气。三、调研报告

7、（或文献综述）：随着世界经济的飞速发展，全球以汽油、柴油为燃料的汽车的保有量大幅度增长。然而，汽车在带给我们方便舒适的同时，也带来了诸多问题，主要有以下一系列待解决的问题:首先是环境问题。随着工业的发展，大气污染越来越严重，而汽车尾气排放所造成的污染占大气污染的60%-70%，. 严重危害着人们的生存环境和生命健康。人们开始严格限制汽车尾气排放，各国对排放的要求也越来越严格。因此，我们必须找到合理的方案以满足日益严格的排放要求。其次是温室效应问题。石化燃料燃烧时产生大量的二氧化碳会造成温室效应。因此，减少汽车尾气排放中的二氧化碳含量是十分重要的。 最后是资源有限性问题.石化燃料的特征之一就是资

8、源的有限性，它的短缺已不是一个新鲜的话题。虽然每年探明的存储量在增加，但是可以肯定的是:可经济开采的石油资源是有限的，而且越来越少。 LPG燃料由于燃烧后产生的HC和CO排放低，对于大气环境保护和汽车能源多样化有积极意义。近年来，LPG汽车得到了迅速的发展。LPG汽车从燃料上可以分为两大类，一类是单一LPG燃料的汽车，它需要有足够多的LPG加气站网来保证;另一类是LPG/柴油双燃料汽车。双燃料汽车燃料供给的灵活性好。我国地域广阔，地区发展差异较大，LPG加气站不够普及，发展LPG/柴油双燃料汽车是可行的选择。所以现在我们先研究LPG/柴油双燃料内燃机，同样为了提高双燃料内燃机的动力性，经济性和

9、降低排放，对双燃料喷雾特性的研究是必不可少的。雾化几乎被应用于所有的工业领域，雾化可以应用于雾化冷却、燃烧系统、消防、农业和雾化干燥等方面。由于雾化的广泛应用，在过去的几十年间，人们越来越关注喷雾的特性研究。对于内燃机而言，雾化的状况良好可以降低油耗和减少排放。Yuan等人通过在定容燃烧室中试验，得出一些关于雾化对于微粒排放影响的结论。他们发现如果提高喷雾质量是Sauter平均直径减小50 ，那么在燃烧室中的微粒浓度将降低60%左右。在大多数一般的实际应用中，雾化可以实现象喷气喷嘴那样，把低速流动的液体喷入高速流动的气体中，依靠高速流动的气动力的作用将液体粉碎。或者正好相反，象压力喷嘴那样，把

10、高速流动的液体喷入低速流动的气体中使液体粉碎雾化。对于后者，高速液体喷入低速或者不流动的大气中产生雾化，这种雾化使由液体和大气的相对速度产生的的气体动力和液体内部本身的湍流和分裂而产生的流体动力共同作用的结果。喷气喷嘴可以分为两种:平流喷嘴和预膜喷嘴。在平流喷嘴中，旋转的液体从喷嘴喷入高速同轴气流中，而在预膜喷嘴中，则是在与气流相接触之前，先把液体喷洒在燃烧室壁面上。压力喷嘴和喷气喷嘴都可以获得良好的雾化效果。然而，不同的雾化过程极大的影响雾化液滴的尺寸和速度分布。液体燃料普遍地应用于工业中。为了获得高强度、高效率地燃烧效果，必须将液体燃料粉碎成小液滴，这就是液体燃料的雾化过程。此外，对于排放

11、物更严格的排放标准，同时也为了提高燃料的热效率，人们越来越关注喷雾燃烧的研究。喷雾燃烧是一个由燃油液滴和蒸发的燃油、空气以及燃烧产物组成的两相流的燃烧。液滴的喷雾特性对内燃机的性能，尤其是对于内燃机的效率和稳定性、机体内温度分布和排放起着决定性的作用。Caldas和Semiao发现，在火焰和燃烧室壁面通过辐射进行的热交换率决定了燃烧室内的温度分布。而不同的尺寸分布对吸收和发散系数有很大的影响。这些系数决定了交换的热辐射率。在燃油火焰中，在喷雾过程中，喷口处的喷雾品质决定了雾化的尺寸分布。只有了解了气流与从喷嘴产生的单个液滴的相互作用，我们才能了解和最终控制喷雾的动力学。随着喷雾的大量模型的发展

12、，一种非常有吸引力的可能的方法出现了。这种方法要求预测在湍流反应流中蒸发液滴的轨迹。而在湍流中，辐射和对流转移的热量和质量的转移过程都是极端重要的。ElBanhawy和Whitelaw发现，只有当限定的边界条件准确时，这种数学模型才能正确的预测喷雾的状况。此外，即使是在像农业灌溉那种没有反应的雾化中，液滴的尺寸分布和速度分布都对设备的工作产生极大的影响。为了确保给植物更多的水或者杀虫剂，我们也需要准确预测喷雾的特性。LPG汽车优缺点与普通燃料汽油相比，LPG具有众多显著的优点。首先，LPG燃料氢碳比(H/C) 大，极易气化，易燃烧，这决定了LPG是一种清洁燃料。根据美国工程师杂志报道:LPG与

13、汽油相比，在各种温度下，LPG的NO:和HC+NO排放都有大幅度的减少;其次LPG的辛烷值(104)比汽油辛烷值(80-89)高，因此可以适当提高LPG 发动机的压缩比并且燃用LPG发动机的抗爆性也比汽油机要好;最后LPG的燃烧范围比汽油广，LPG与空气的混合比例比汽油弹性大，调整较为容易。但是由于LPG的气化热和着火点很高、气化潜热大，因此对点火能量要求比汽油大，为了不引起点火困难，点火能量应提高30%左右。同时点火能量的提高也能使混合气的燃烧极限变宽。四、方案论证：1） 为了验证本计算方法的可行性，首先借助已有的LPG液态喷射的实验数据，并利用软件Fire8.3数值模拟LPG液态喷射自由喷

14、雾的非稳态过程。其建模和计算过程如下：（1） 查找、计算出车用液态LPG自0K临界温度的13种物性参数的数据库后，将这近千个数据用Compaq Visual Fortran6.6编译成软件Fire8.3默认的燃料特性的User Functions（自定义函数）cyusepr.f。 （2） 使用参数化造型软件Pro/E建立三维实体模型（该模型的主要几何参数与实际的天然气喷射阀一致），将该实体模型导入CFD软件Fire8.3中进行网格化，将整个计算域划分成许结构化和非结构化网格的组合，由于喷射阀内部和喷嘴出口附近等流动梯度较大的区域对格子进行细化，另外还有必要对网格拓扑进行进一步优化，如去除负网格

15、，以得到更准确的数值解；同时定义计算域的初始条件和边界条件。（3） 通过对不同的喷射模型的选择（湍流模型、喷雾模型），与实验数据对比在不同喷射压力和背压条件下得到的喷雾锥角、喷雾贯穿距离、喷雾的温度变化，从而得到最理想的模型，为以后的工作奠定基础。2）液化石油气进气歧管的喷射和反射过程的数值模拟过程。其建模和计算过程如下：（1） 对当前的壁面模型中的碰撞子模型进行研究，通过建立较简单的实体模型对不同的碰撞模型进行试验，与实验的结果相比较从而达到改进碰撞模型的目的。（2） 对本计算的实体模型包括进气歧管、液化石油气喷射阀和进气阀三部分进行实体建模。由于进气歧管的结构尺寸比较复杂，它的主要结构参数

16、将借助三坐标测量仪，由实际的进气歧管测得。（3） 由于本计算模型的结构尺寸复杂，计算域空间体积较大，计算时的网格数太多，这对计算机CPU的处理速度、内存要求很高，因此为了节省计算时间，有必要将计算域分成对称的几部分，取其中一部分进行计算。参考文献1孙连成. 东北汽车运输. 大连：大连理工大学出版社，2000.42卫晓辉，马凡华，许中厚. 液化石油气汽车发动机技术探讨，车用发动机，2000.43钱义. 现代汽车发动机燃料供给装置. 北京：人民交通出版社，19964钱雨民. 燃气汽车最佳点火提前角的调整技术. 天然气汽车，19985黄海波. 燃气汽车结构原理与维修. 北京：机械工业出版社，2002

17、6周玉明内燃机废气排放及控制技术. 北京：人民交通出版社，20017杨妙梁汽车发动机与环境保护北京：中国物资出版社，20008社团法人日本自动车工业会. 2003 日本的汽车工业. 东京：日本自动车工业会出版社，2003.5 9汽车加油加气站设计与施工规范编制组.汽车加油加气站设计与施工规范宣贯辅导教材. 中国计划出版社，200310边耀璋. 汽车新能源技术. 北京：人民交通出版社出版发行，200311阿比旦，张武高，欧阳明高. 液化石油气汽车技术的发展液化石油气12姚中良等. 液化石油气汽车现状及对策. 天然气工业，1994.813庄一方. 现代汽车电子控制. 北京理工大学出版社，1997.714刘勇. 电控汽油喷射系统（一）. 基础训练JXCL，2000.515邵千钧. 点燃式发动机燃用LPG电控喷射研究：硕士论文D. 杭州：浙江大学，2000五、进度安排： 附表1 山东建筑工程学院毕业设计（论文）工作