【文章內(nèi)容簡介】 步提高，成為汽油機(jī)柴油機(jī)市場的主要競爭者。 國 外對氣體發(fā)動機(jī)所做的研究相對比較深入，在許多方面取得了長足的進(jìn)步，促進(jìn)了其氣體發(fā)動機(jī)工業(yè)的發(fā)展。同時近年來廣闊的市場需求又促使各發(fā)動機(jī)制造企業(yè)積極開發(fā)性能優(yōu)越的氣體發(fā)動機(jī)以爭奪市場 :八十年代初僅有少數(shù)公司涉及這一領(lǐng)域，而近年來各大公司都相繼開發(fā)出商品級的產(chǎn)品，參與市場競爭的公司遍及各國，如美國的 Caterpillar公司、 Fairbanks Mors。公司、 Cooper公司、 Comoro公司、 Cummins公司，英國的 Ruston公司、 Varity Perkins公司，日本的 NKK Yanmar公司，奧地利 的 Jenbaher公司，德國 MAN Bamp。W公司、丹麥 MAN Bamp。W公司、意大利的 Fincantieri公司、法國的 Wartsila公司等 產(chǎn)出的氣體發(fā)動機(jī)大到可輸出幾千千瓦的功率，小到用于家庭割草機(jī)上，有四沖程，也有二沖程方式，氣體發(fā)動機(jī)的適用范圍越來越大。由于各大公司間的激烈競爭，使氣體發(fā)動機(jī)領(lǐng)域出現(xiàn)了前所未有的活躍?？梢哉f，八十年代是氣體發(fā)動機(jī)技術(shù)的迅速成長期，九十年代將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高，成為內(nèi)燃機(jī)行業(yè)中新一類的重要產(chǎn)品。 現(xiàn)在國外車用 LPG系統(tǒng)發(fā)展已經(jīng)經(jīng)過了下面七個階段： 第一階段 ，對應(yīng)于汽車化油器時代，在不改變汽車原有供油系統(tǒng)的前提下，加裝一套燃?xì)夤庋b置，采用文丘里管、比例調(diào)節(jié)式等機(jī)械混合器，利用發(fā)動機(jī)進(jìn)氣真空度的變化，調(diào)節(jié)燃?xì)夤饬?，適應(yīng)不同負(fù)荷條件下對供氣量的不同要求，基本保證發(fā)動機(jī)正常燃燒的需要。 耿德強： LPG 汽車發(fā)動機(jī)噴霧模擬計算 第 9 頁 第二階段，反饋混合方式。在第一階段的基礎(chǔ)上，采用電子控制化油器的調(diào)節(jié)技術(shù)，在混合器前安裝由步進(jìn)電機(jī)控制的節(jié)流閥，在排氣系統(tǒng)中安裝了氧傳感器，可以根據(jù)排氣空燃比變化，自動調(diào)整供氣量，使 LPG汽車性能得到改善。本論文的實驗也是在這樣的系統(tǒng)上進(jìn)行的。 第三階段，對應(yīng)于電子控制單點噴射技 術(shù)， LPG汽車混合氣采用電子控制、單點噴射，利用電子控制模塊，可以分解發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和排氣空燃比的變化，自動調(diào)整供氣量，使發(fā)動機(jī)進(jìn)氣混合比控制更加精確，提高了發(fā)動機(jī)的工作效率。安裝催化轉(zhuǎn)化器 第四階段，結(jié)合汽車技術(shù)的最新發(fā)展，針對液化石油氣的燃燒特性，優(yōu)化發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計，移植、開發(fā)閉環(huán)控制多點噴射技術(shù) 。根據(jù) LPG汽車污染排放的特點，開發(fā) LPG汽車專用的催化轉(zhuǎn)化器，使專門針對 LPG汽車設(shè)計的發(fā)動機(jī)動力性達(dá)到汽油機(jī)的水平，污染物的排放得到大幅度降低，較同等技術(shù)水平的汽油車降低 50%60%，達(dá)到歐洲 2021年 排放標(biāo)準(zhǔn)和美國加州超低排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。 第五階段，液體狀態(tài)噴射 LPG的系統(tǒng)，由荷蘭的 TNO研究所靠政府投資最早進(jìn)行開發(fā)，由 Vialle公司作為 LPG系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)、銷售。在燃料容器內(nèi)與汽油機(jī)一樣內(nèi)設(shè)燃料泵。泵轉(zhuǎn)速可按發(fā)動機(jī)負(fù)荷條件進(jìn)行 5級變速，通常用 5個大氣壓進(jìn)行加壓供給。與汽油機(jī)一樣，利用專用噴油器，對各氣缸進(jìn)行噴射控制，其控制與基準(zhǔn)發(fā)動機(jī)的 ECU聯(lián)動，并用專用的輔助 ECU控制 LPG的噴射量。在起動時為防止凍結(jié)和檢查汽油系統(tǒng)，采用汽油起動，待熱機(jī)后自動轉(zhuǎn)換成 LPG。與氣體噴射系統(tǒng)不同，在噴射時呈液狀，故能獲 得與汽油機(jī)完全一樣的輸出功率、扭矩和燃油耗。目前歐洲日產(chǎn)、馬自達(dá)、三菱汽車、沃爾沃，意大利 BRC公司等都進(jìn)行了這方面的開發(fā)。 第六階段，火花點燃缸內(nèi)直接噴射稀薄分層燃燒，為實現(xiàn)混合氣分層而改變對其影響最大的燃燒室形狀及噴射條件，并研究混合氣形成過程，日產(chǎn)柴油機(jī)公司己經(jīng)研究出能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能的燃燒系統(tǒng)，采用的是坡形燃燒室。 第七階段，壓燃缸內(nèi)直接噴射系統(tǒng)，添加提高十六烷值添加劑以確保燃燒性能，由日本巖谷產(chǎn)業(yè)公司嘗試使用 LPG替代柴油的研制。該機(jī)運行時，熱效率與柴油機(jī)相同，且排煙很少， NOx約為柴油機(jī)的 2/3， 但因排氣中不含硫成分，故可利用 NOx催化劑。樣機(jī)已經(jīng)進(jìn)行了實驗場和公路運轉(zhuǎn)性能和耐久性能的實驗。近年來，國外天然氣和液化石油氣汽車技術(shù)發(fā)展較快，不僅在動力性和燃料經(jīng)濟(jì)性方面有顯著提高，而且在排放性能方面已列入“綠色汽車”行列 125rq。最近日本本田汽車公司推出的 CIVIC系列天然氣汽車的 CO, NO,和 THC排放量比 1997年美國聯(lián)邦政府制定的標(biāo)準(zhǔn)低 60倍，比當(dāng)今世界最嚴(yán)格的加州標(biāo)準(zhǔn)低10倍，而且仍保持良好的汽車性能。 LPG發(fā)動機(jī)存在的問題 目前國內(nèi)外使用的 LPG 普遍存在的一個問題就是發(fā)動機(jī) 的功率下降，像混合器方式、電控混合器方式以及單點電控噴射方式， LPG 在進(jìn)入氣缸前都是以氣態(tài)的形式與空氣混合耿德強： LPG 汽車發(fā)動機(jī)噴霧模擬計算 第 10 頁 的，由于氣態(tài) LPG 占用了進(jìn)氣的體積，使得進(jìn)氣的充氣效率下降，從而降低了發(fā)動機(jī)的功率（一般會比原汽油機(jī)下降 5%～ 10%）。而液態(tài) LPG 多點電控噴射方式可以解決上面發(fā)動機(jī)功率下降的問題，主要是因為 LPG 以液態(tài)高壓噴射，不占用進(jìn)氣體積，而且由于 LPG 在常溫常壓下是以氣態(tài)形式存在，液態(tài) LPG 噴射到常溫負(fù)壓的進(jìn)氣管內(nèi)，會發(fā)生劇烈的減壓沸騰現(xiàn)象，從周圍空氣吸收熱量，降低進(jìn)氣溫度，增大了進(jìn)氣密度，從而提高了充氣效率，也使得發(fā)動機(jī)的工作效率得到了較大的提高，這種方式的 LPG 汽車的效率與原汽油機(jī)效率持平。 液態(tài) LPG 在常溫、高壓條件下噴射到低壓環(huán)境中去，由于在 298K 時其液態(tài)本身飽和蒸汽壓和粘度低（僅有柴油的 1/7），表面張力?。ㄖ挥胁裼偷?1/4）的特性，使得 LPG 在噴射出的瞬間產(chǎn)生劇烈的氣化，并伴隨有大量的氣泡產(chǎn)生，因此 LPG 的噴射特性和柴油有明顯的不同，目前隨著清潔燃料的使用， LPG 正越來越多的被使用，所以研究 LPG 的噴霧特性具有非常重要的意義，并且通過作者對國內(nèi)外資料的檢索，了解到目前國內(nèi)外對液態(tài) LPG減壓沸騰現(xiàn)象的 數(shù)值計算很少，有關(guān)這方面的數(shù)學(xué)模型還很不完善，因此本文的研究具有很高的先進(jìn)性和非常重要的意義。 碰壁模型 噴霧碰壁主要涉及兩個物理過程：碰壁所引起的油滴運動形態(tài)和動力特性的變化以及壁面油膜的形成和發(fā)展。壁面形狀和傾角、噴油壓力、油嘴結(jié)構(gòu)、孔壁距離、環(huán)境壓力和溫度以及表面粗糙度等是主要影響因素 ,噴霧碰壁相當(dāng)于一個額外的二次霧化，它可以顯著加強噴霧中的傳熱介質(zhì)，從而加速蒸發(fā)和混合。這是因為油滴的破碎增加了噴霧總的表面積；同時氣體射流在碰壁區(qū)產(chǎn)生旋渦可加速油滴的擴(kuò)散。建立撞 壁模型主要解決兩個問題 ,一是由初始邊值條件確定液滴撞壁后是沉積成膜或是破碎飛濺 。二是預(yù)測撞壁后液滴速度場和尺寸分布。對不同的碰壁模型進(jìn)行了研究，選出了適合 LPG液態(tài)噴射的碰壁模型。 在這里沒有考慮壁面油膜模型 ,這在大多數(shù)壁面油膜不起主要作用的實際應(yīng)用中是可行的。碰壁模型有反射模型和射流模型兩種 ,可以用韋伯?dāng)?shù) We進(jìn)行判斷 : ??? /DWe in,ndd 2? 式中 :ρ d為液滴的密度 。Dd為液滴的直徑 。Un,in為液滴在壁面法向的速度 。σ為液滴的表面張力。當(dāng) We80時 ,用反射模型 。當(dāng) We80時 ,用射流模型。 在單進(jìn)氣道內(nèi)的噴射 目前所報道的液態(tài) LPG電噴發(fā)動機(jī)幾乎主要是預(yù)混合均勻燃燒方式，液態(tài) LPG經(jīng)過高壓噴射 (1～ 5MPa) 、霧化等一系列復(fù)雜過程與空氣混合 ,形成易于燃燒的混合氣 ,在此過程中，由于實際尺寸的限制，無論是進(jìn)氣管噴射還是缸內(nèi)直噴都不可避免地會涉及到油束與進(jìn)氣管以及燃燒室壁面相撞 ,在碰撞面上會形成油膜 ,使燃油在壁面堆積。研究發(fā)現(xiàn) ,這種燃油耿德強： LPG 汽車發(fā)動機(jī)噴霧模擬計算 第 11 頁 壁面堆積是形成 HC、碳煙的主要原因 ,因此深入研究噴霧的撞壁過程對提高發(fā)動機(jī)的排放性能有非常重要的意義。本文將在第一步工作的基礎(chǔ)上，根據(jù) 實際的單進(jìn)氣道得到其網(wǎng)格模型，對其內(nèi)部的噴射碰壁過程進(jìn)行研究。 本論文的主要構(gòu)成 本文主要研究液態(tài) LPG 自由噴霧反射過程中，由于 LPG 在常溫常壓下，是以氣態(tài)形式存在，當(dāng)在較高噴射壓力下自噴嘴以液體狀態(tài)突然噴射到大氣環(huán)境中， LPG 要發(fā)生劇烈的減壓沸騰現(xiàn)象，會有大量的氣泡產(chǎn)生、成長和破碎過程以及劇烈的蒸發(fā)過程。本論文利用所使用的 CFD 軟件 Fire 的現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上對軟件的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了修正，以滿足本課題的需要。本論文的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)成如下： 第一章 緒論 綜述汽車的發(fā)展歷程以及當(dāng)今汽車發(fā)展所面 臨的問題，提出發(fā)展和推廣代用清潔燃料LPG 的必要性，并指出 MPI 方式 LPG 汽車仍存在的問題，基于此介紹了本文的選題意義、研究方案和主要工作內(nèi)容。 第二章 模擬計算的原理 根據(jù)本文研究液態(tài) LPG 自由噴霧的流動特點，建立了噴嘴內(nèi)部氣穴現(xiàn)象和噴嘴外部噴霧流動的數(shù)學(xué)模型，并確立數(shù)值解析方法，制定了網(wǎng)格生成過程中網(wǎng)格密度和質(zhì)量控制的一般原則。 第三章 數(shù)值模擬過程及分析 在本章介紹了用三維造型軟件 Pro/E 建立進(jìn)氣岐管模型，用 CFD 軟件 Fire 生成網(wǎng)格并進(jìn)行模擬計算，最后進(jìn)行了結(jié)果分析。 第四章 總結(jié)全文，并對 今后的研究方向進(jìn)行了展望 。 耿德強： LPG 汽車發(fā)動機(jī)噴霧模擬計算 第 12 頁 模擬計算的原理 隨著計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)學(xué)以及計算流體力學(xué)（ CFD）的迅速發(fā)展，用數(shù)值方法模擬發(fā)動機(jī)工作過程已成為可能。在近 40 年的發(fā)展過程中，汽車發(fā)動機(jī)工作過程數(shù)值模擬方法取得了長足的進(jìn)步并得到了廣泛推廣，數(shù)值模擬理論也逐漸成熟。多年來，在汽車領(lǐng)域，關(guān)于汽油機(jī)或柴油機(jī)工作過程的數(shù)值模擬成果屢有報道。雖然近幾年來關(guān)于 LPG 發(fā)動機(jī)的數(shù)值模擬研究也有報道；但該領(lǐng)域的數(shù)值模擬理論仍然很不完善。由于 LPG 與汽油和柴油的燃料性質(zhì)不同，多年來對汽油機(jī)和柴油機(jī)的傳統(tǒng) 數(shù)值模擬理論并不能完全應(yīng)用于 LPG 發(fā)動機(jī)工作過程的數(shù)值模擬研究。需針對 LPG 發(fā)動機(jī)工作過程的新特點重新探索恰當(dāng)?shù)臄?shù)值模擬方法。 數(shù)學(xué)模型 數(shù)學(xué)模型建立的恰當(dāng)與否直接關(guān)系著所研究物理現(xiàn)象描述的真實性和數(shù)值解析結(jié)果的可靠性，是數(shù)值模擬的關(guān)鍵因素。 LPG 發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管內(nèi) LPG 的噴射、反射過程以及LPG 發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣過程遵循熱流體運動過程的一般規(guī)律，同時也有如強湍流、強瞬變、超音速和混氣流動等自身的特點，需要在數(shù)學(xué)模型中予以充分考慮。 基本控制方程 質(zhì)量守恒方程 0)()()( ???????????? 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(21) 動量守恒方程 (1)u— 動量方程 xFxwzuzyuxvyxuUxxpzwuyvuxuutu???????????????????????????????????????????????)]([)]([)2d i v()()()( (22) (2)v— 動量方程 yFywzvzyuxvxyvUyypzwvyvvxuvtv???????????????????????????????????????????????)]([)]([)2d i v()()()( (23) (3) w— 動量方程 耿德強： LPG 汽車發(fā)動機(jī)噴霧模擬計算 第 13 頁 zFywzyy