分层稀燃LPG缸内直喷发动机燃烧及排放过程的理论研究

摘要

液化石油气(LPG)具有碳氢比低，辛烷值高，燃料的单位热值价格低，具有很好的HC、NOx和Soot等污染物减排的潜力，同时良好的经济性和排放性能使LPG成为优良的汽车代用燃料之一。但目前LPG发动机多采用预混合均质燃烧，导致燃油经济性及动力性均较差，而采用液念态LPG缸内直喷可显著改善动力性、经济性及排放性能，特别是分层稀燃可显著提高部分负荷经济性。本文在形成的较好的分层稀薄混合气的基础上对LPG的燃烧和排放过程进行了数值解析，同时利用化学反应动力学软件CHEMKIN对排放物研究作为补充，使对研究更加精确，为优化LPG发动机的燃烧和排放性能提供重要的理论依据。
　　 为了使建立的LPG直喷发动机数值计算模型能够准确地模拟出发动机的实际工作过程，我们分别采用了喷雾可视化实验和缸压实验对所建的喷雾模型和燃烧模型进行了验证和标定。通过实验和计算数据的对比，我们选择的计算模型可以很好的模拟喷雾和燃烧过程。
　　 在此基础上我们首先对分层稀薄混合气的燃烧过程做了详细的数值计算，结果表明：在部分负荷(2000rpm)条件下通过对缸内压力、温度以及燃料浓度场的变化情况分析可以得出推迟点火不利于动力输出和氮氧化物的排放，但对于炭烟的排放有利。同时，对排放过程计算模型进行选择并分析计算结果，温度对NO生成影响极其重要，点火初期缸内高温区域较为集中，NO的浓度也急剧上升。在上止点后5度左右生成速率达到最高，同时NO的浓度场也在最高生成速率后出现最高浓度。点火初期火花塞附近过量空气系数Φ<1混合气浓度较高，生成的CO浓度相对较高，随着活塞的运动在缸内旋流和滚流的作用下氧气被卷到CO高浓区域，同时缸内温度处于高温状态，促进了CO的氧化，浓度的降低。燃烧初期火花塞周围氧气浓度迅速降低，导致使火花塞周围炭烟浓度维持在很高的水平。随着反应的进行整个燃烧室的氧气在旋流和滚流的作用下和炭烟充分混合，同时燃烧室温度升高，大的炭烟颗粒被氧化成小的颗粒，炭烟浓度逐渐降低。
　　 在三维CFD计算的基础上，采用化学反应动力学软件CHEMKIN中的零维内燃机反应器对LPG的排放数据补充计算，使计算结果更加准确。