增程式电动汽车用LPG二冲程直喷发动机燃烧过程数值模拟

摘要

随着我国经济的高速发展，汽车行业发展迅猛，然而频频发生的雾霾，正时刻提醒着我们节能环保、绿色出行的重要性。增程式电动汽车本质还是电动汽车，其增程装置由发动机和电机组成，发动机作用是在最经济工况点为电池供电以“增程”。为降低成本，使增程结构更加紧凑、简单，本文提出将二冲程发动机应用于增程式电动汽车的构想，燃料采用国际上最为推广的清洁高效代用燃料液态LPG，从而使该电动汽车既能很好控制成本，又能使发动机排放下降。
　　众所周知任何燃烧过程都包括着火与燃烧阶段，其中着火阶段其实是燃烧的准备过程，不管自燃着火或是强迫着火（点燃），着火都是一个典型的受化学动力学控制的燃烧现象，因此本文首先对LPG/Air燃烧的化学动力学机理进行研究。直接用详细化学动力学机理固然可以提高模拟结果的准确性，但却造成计算的刚性问题，降低计算效率，本文第三章利用敏感度分析方法将LPG详细化学机理简化为适用于高温氧化条件的包括27种组分和34个基元反应的简化化学动力学模型，并对其进行了有效性验证，在过量空气系数大于0.9时，简化精度在10％以内，认为可以用于燃烧过程的模拟中。
　　本文采用AVL FIRE软件，将其与LPG简化机理耦合计算曲轴箱扫气式二冲程直喷发动机模型，对其均质当量比下混合气形成及燃烧过程进行模拟，解析结果表明，当喷油定时晚于下止点后15℃A时，燃油不会从排气道直接流走，且易于在上止点前形成均质混合气;燃烧过程通过选取不同点火正时来研究，结果表明，于上止点前25℃A点火，燃烧爆发压力最大，放热率最高，对应相位角最靠近上止点后5～15℃A，对外有效做功最好。
　　另外，本课题组提出了一种新式弯曲壁面引导型进气道扫气式LPG二冲程直喷发动机结构，将LPG简化机理耦合计算其整体空燃比为40∶1的分层稀薄燃烧过程。结果表明，当LPG燃油以5Mpa压力喷入气缸时，喷油定时设在BTDC60℃A时，可以在上止点前形成较好的分层混合气;火花塞分别设定在屋脊型气缸盖进气道的对侧（侧置）和屋脊顶上（顶置）时对不同点火正时进行燃烧过程对比，顶置火花塞得到的最大爆发压力更大，燃烧放热率更高，燃耗特性更好。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究的背景和意义

1．2液态LPG作为车用燃料的主要特性及应用

1．2．1 LPG的燃料特性

1．2．2 LPG的使用特性

1．2．3 LPG作为车用燃料的应用

1．3二冲程发动机国内外研究现状

1．3．1国外研究现状

1．3．2国内研究现状

1．4发动机直喷燃烧技术

1．4．1直喷均质当量比燃烧

1．4．2直喷分层稀薄燃烧

1．5 CFD模拟计算在发动机开发中的应用现状

1．5．1化学动力学机理

1．5．2 CFD多维模拟软件

1．5．3 CFD与化学动力学耦合的数值模拟技术研究现状

1．6论文的研究内容

第2章数值模拟理论基础

2．1湍流流动模型

2．1．1基本控制方程

2．1．2湍流模型

2．2拉格朗日喷雾模型

2．2．1蒸发模型

2．2．2破碎模型

2．3湍流燃烧模型-相关火焰模型(CFM)

2．4 NOx排放模型

2．5本章小结

第3章LPG／Air燃烧的化学动力学模型

3．1敏感度分析法

3．2 SENKIN敏感度分析平台

3．3一维层流火焰模型

3．4 LPG化学动力学简化

3．4．1 LPG预混燃烧机理简化

3．4．2 LPG机理简化验证

3．5简化机理与FIRE的耦合

3．6耦合机理后点火功能的实现

3．7本章小结

第4章LPG二冲程直喷发动机燃烧过程三维数值模拟

4．1数值计算方法

4．1．1网格离散化概述

4．1．2求解离散方程的SIMPLE算法

4．2边界条件及初始条件

4．3曲轴箱扫气LPG二冲程直喷发动机均质当量比燃烧过程数值解析

4．3．1模型建立及网格生成

4．3．2均质混合气形成计算结果与分析

4．3．3均质混合气燃烧过程计算结果与分析

4．4壁面引导式LPG二冲程直喷发动机分层燃烧过程数值解析

4．4．1模型建立及网格生成

4．4．2分层混合气形成计算结果与分析

4．4．3分层燃烧过程计算结果与分析

4．5本章小结

5．1总结

5．2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间论文发表