【正文】 19 邊界條件 19 初始條件 20 數(shù)值模擬的結果分析 21 4. 工作 總結及 展望 24 工作總結 25 工作展望 25 參考文獻 26 致謝 27 耿德強： LPG 汽車發(fā)動機噴霧模擬計算 第 6 頁 緒論 引言 汽車是現(xiàn)代社會必不可少的交通運輸工具，也是人類文明的重要標 志之一，而能源與環(huán)保始終是汽車工業(yè)發(fā)展過程中的重要問題。傳統(tǒng)的汽車發(fā)動機以汽油、柴油作為燃料，必然也受到了石油危機的困擾，因此，找尋汽油、柴油以外的汽車代用燃料己經(jīng)成為重要的研究方向。 汽車造成的石油消耗和環(huán)境污染概況 一直以來，汽車的燃料主要是汽油和柴油，它們在燃燒過程中產(chǎn)生的有害成分主要為一氧化碳（ CO）、碳氫化合物（ HC）和氮氧化物（ NOx），同時根據(jù)燃料等級的差異，還會有不同程度的硫氧化物（ SOx）、鉛化合物和微粒等，這些有害成分最終由排氣管排出，因而也稱排氣污染物（或排氣有害成分）。在汽車發(fā)展的前期，雖然汽車發(fā)動機技術相對落后，單位汽車有害尾氣排放比現(xiàn)在的汽車高的多，但由于汽車保有量小，汽車尾氣并未對大氣環(huán)境造成嚴重的影響，因此限制汽車尾氣排放沒有引起足夠的重視；但進入近代以后，尤其是以 1943 年的洛杉磯市“光化學煙霧”為代表開始，汽車有害物排放逐漸成為世界大氣環(huán)境惡化的最主要原因之一，限制汽車尾氣有害排放已成為世界性的課題。目前尾氣治理工作初見成效，美國，日本和歐洲各國的汽車排放水平與 1970 年排放水平相比已降低了 39%以上；但由于全球汽車保有量的持續(xù)高速增長，汽車排放污染的現(xiàn)狀仍十分嚴峻，在當前國際環(huán)境形勢嚴重危機的情況下，降低甚至消除汽車尾氣排放仍是勢在必行的世界性課題。電池的能量密度遠遠小于汽油的能量密度，因而開發(fā)電動汽車的關鍵技術是開發(fā)研究大容量 的充電電池。 (2)在當前的汽油機和柴油機上采用先進 M全電控控制系統(tǒng)、廢氣再循環(huán)系統(tǒng) (EGR).稀耿德強： LPG 汽車發(fā)動機噴霧模擬計算 第 7 頁 嫩技術和廢氣催化轉化技術等措施來實現(xiàn)降低排放物的控制。為合理利用能源和減少汽車排放污染、保護環(huán)境，汽車清潔代用燃料應用研究是非常必要而實用的。再次考慮到技術的完善程度、能源密度、能源效率、總的能源利用率以及成本因素， LPG 是最佳的代用燃料之一。它在常溫常壓下是一種無毒、無色、無味的氣體。在上個世紀五十年代，隨著石油工業(yè)的發(fā)展，豐富的 C3, C4燃料無處可用，于是人們嘗試將其作為汽車燃料。 其次從地球暖化的觀點分析。地球暖化氣體 (C02,CH4,N2O)的排放是由燃燒后的直接排放。就直接排放而言，因依存于燃料中的碳比率，所以氫比率多的輕質燃料 LPG排放量低，僅次于 CNG(壓縮天然氣 )。因 LPG和 CNG貯藏在罐內，故幾乎無泄漏和蒸發(fā)，但汽油等燃料因在大氣壓力下貯存或向汽車加油時擴散等而使大氣蒸發(fā)比率高，其間接排放多。中國陸上生產(chǎn)的天然氣主要為干氣，陸上油田生產(chǎn)少量的 LPG，由海上天然氣生長的耿德強： LPG 汽車發(fā)動機噴霧模擬計算 第 8 頁 LPG僅為 3萬多年，所以中國國內 LPG生產(chǎn)的主要來源幾乎全部靠煉廠。 1995年和 1994年相比，LPG產(chǎn)量增加了 180萬噸，而消費總量增加 386萬噸。以上海為例，目前，民用液化石油氣占供應量的 30%左右。北京和上海有類似的情況。 LPG汽車技術的發(fā)展現(xiàn)狀 從內燃機的發(fā)展史來看， 1860年 Lenoir制成世界上最早的氣體發(fā)動機，并導致最古老的發(fā)動機廠 道依茨氣體發(fā)動機廠的建立，表明人們在內燃機中使用液體燃料以前，就通過實踐證明了各種成分 的可燃氣體也是可以作為內燃機中使用的燃料的。可以說上個世紀 80年代是氣體發(fā)動機的快速增長期， 90年代則是在此基礎上的進一步提高，成為汽油機柴油機市場的主要競爭者。同時近年來廣闊的市場需求又促使各發(fā)動機制造企業(yè)積極開發(fā)性能優(yōu)越的氣體發(fā)動機以爭奪市場 :八十年代初僅有少數(shù)公司涉及這一領域，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。W公司、丹麥 MAN Bamp。由于各大公司間的激烈競爭，使氣體發(fā)動機領域出現(xiàn)了前所未有的活躍。 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，加裝一套燃氣供氣裝置，采用文丘里管、比例調節(jié)式等機械混合器，利用發(fā)動機進氣真空度的變化，調節(jié)燃氣供氣量，適應不同負荷條件下對供氣量的不同要求，基本保證發(fā)動機正常燃燒的需要。在第一階段的基礎上，采用電子控制化油器的調節(jié)技術，在混合器前安裝由步進電機控制的節(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，自動調整供氣量，使 LPG汽車性能得到改善。 第三階段，對應于電子控制單點噴射技 術， 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)動機轉速、負荷和排氣空燃比的變化，自動調整供氣量，使發(fā)動機進氣混合比控制更加精確，提高了發(fā)動機的工作效率。根據(jù) LPG汽車污染排放的特點，開發(fā) LPG汽車專用的催化轉化器，使專門針對 LPG汽車設計的發(fā)動機動力性達到汽油機的水平，污染物的排放得到大幅度降低，較同等技術水平的汽油車降低 50%60%，達到歐洲 2021年 排放標準和美國加州超低排放標準的要求。在燃料容器內與汽油機一樣內設燃料泵。與汽油機一樣，利用專用噴油器，對各氣缸進行噴射控制，其控制與基準發(fā)動機的 ECU聯(lián)動，并用專用的輔助 ECU控制 LPG的噴射量。與氣體噴射系統(tǒng)不同，在噴射時呈液狀，故能獲 得與汽油機完全一樣的輸出功率、扭矩和燃油耗。 第六階段，火花點燃缸內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)柴油機公司己經(jīng)研究出能夠實現(xiàn)這一功能的燃燒系統(tǒng)，采用的是坡形燃燒室。該機運行時，熱效率與柴油機相同，且排煙很少， NOx約為柴油機的 2/3， 但因排氣中不含硫成分，故可利用 NOx催化劑。近年來，國外天然氣和液化石油氣汽車技術發(fā)展較快，不僅在動力性和燃料經(jīng)濟性方面有顯著提高，而且在排放性能方面已列入“綠色汽車”行列 125rq。 LPG發(fā)動機存在的問題 目前國內外使用的 LPG 普遍存在的一個問題就是發(fā)動機 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)動機噴霧模擬計算 第 10 頁 的，由于氣態(tài) LPG 占用了進氣的體積，使得進氣的充氣效率下降，從而降低了發(fā)動機的功率（一般會比原汽油機下降 5%～ 10%）。 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外資料的檢索，了解到目前國內外對液態(tài) LPG減壓沸騰現(xiàn)象的 數(shù)值計算很少，有關這方面的數(shù)學模型還很不完善，因此本文的研究具有很高的先進性和非常重要的意義。壁面形狀和傾角、噴油壓力、油嘴結構、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，從而加速蒸發(fā)和混合。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 。對不同的碰壁模型進行了研究，選出了適合 LPG液態(tài)噴射的碰壁模型。碰壁模型有反射模型和射流模型兩種 ,可以用韋伯數(shù) We進行判斷 : ??? /DWe in,ndd 2? 式中 :ρ d為液滴的密度 。Un,in為液滴在壁面法向的速度 。當 We80時 ,用反射模型 。 在單進氣道內的噴射 目前所報道的液態(tài) LPG電噴發(fā)動機幾乎主要是預混合均勻燃燒方式，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，無論是進氣管噴射還是缸內直噴都不可避免地會涉及到油束與進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。本文將在第一步工作的基礎上，根據(jù) 實際的單進氣道得到其網(wǎng)格模型，對其內部的噴射碰壁過程進行研究。本論文利用所使用的 CFD 軟件 Fire 的現(xiàn)有的數(shù)學模型，并在此基礎上對軟件的數(shù)學模型進行了修正，以滿足本課題的需要。 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，建立了噴嘴內部氣穴現(xiàn)象和噴嘴外部噴霧流動的數(shù)學模型，并確立數(shù)值解析方法，制定了網(wǎng)格生成過程中網(wǎng)格密度和質量控制的一般原則。 第四章 總結全文，并對 今后的研究方向進行了展望 。在近 40 年的發(fā)展過程中，汽車發(fā)動機工作過程數(shù)值模擬方法取得了長足的進步并得到了廣泛推廣，數(shù)值模擬理論也逐漸成熟。雖然近幾年來關于 LPG 發(fā)動機的數(shù)值模擬研究也有報道；但該領域的數(shù)值模擬理論仍然很不完善。需針對 LPG 發(fā)動機工作過程的新特點重新探索恰當?shù)臄?shù)值模擬方法。 LPG 發(fā)動機進氣歧管內 LPG 的噴射、反射過程以及LPG 發(fā)動機的進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)學模型中予以充分考慮。 理想氣體狀態(tài)方程： RTp ?? (26) 內能公式 : ),( Tee ?? (27) 物性參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)的關系： ),( T???? ； ),( T???? ； ),( Tkk ?? (28～ 10) 破碎模型 這