液态LPG缸内直接喷射发动机混合气形成过程的数值模拟

摘要

液化石油气(LPG)因其良好的经济性和低污染排放已成为优良的汽车代用燃料之一。目前LPG液态喷射发动机几乎都采用预混合均质燃烧方式，造成发动机在部分负荷工况下燃料经济性较差。采用稀薄燃烧方式可显著提高部分负荷经济性，但LPG与汽油燃料的物理化学性质有很大的不同，这就决定了在LPG发动机上应用稀薄燃烧技术时，其与普通汽油发动机具有不同的混合气形成过程。而混合气形成过程对于发动机的动力性以及排放特性等性能有着重要的影响，特别是对于组织燃烧过程有决定性影响。因此，研究掌握混合气的形成特性对优化燃烧和排放性能具有重要的意义。为此本文采用数值解析的方法考察了分层稀薄燃烧液态LPG喷射发动机的燃料喷射、喷雾的壁面反射以及气缸内燃料-空气混合等一系列过程。 液态LPG的物化性质决定了喷射时将产生闪急沸腾现象，闪急沸腾发生时，在液体内部生成的大量气泡对燃料的雾化、蒸发具有非常重要的影响。现有的通用CFD软件FIRE内不具备描述复杂气泡生成现象的数学模型，因此本文对使用的FIRE软件的喷雾模型中的蒸发方程、碰壁方程等进行了修正后，由User Function(用户自定义函数)添加到FIRE软件中，数值解析了液态LPG的喷雾发展过程，并且与实验结果比较，验证了计算方法的可行性。 在上文的基础上，分别详细考察了屋脊型活塞顶燃烧室和凹坑型活塞顶燃烧室在部分负荷工况下采用压缩过程中后期喷射措施时的混合气形成过程。对于屋脊型活塞顶燃烧室，采用了壁面引导。这种引导方式的火花塞布置在气缸中心，喷油器与火花塞相距较远，并利用特殊的活塞屋脊形状配合气体滚流运动，将燃油喷雾导向火花塞并在火花塞周围形成合适浓度的混合气。对于凹坑型活塞顶式燃烧室，采用了喷雾引导。这种引导方式一般将喷油器布置于气缸中心，而火花塞位于燃油喷束的边缘。喷雾引导的特点是火花塞周围容易形成较浓的混合气，同时采用强的涡流和滚流作用来保持分层混合气的稳定性。结果表明，在部分负荷时，由于进气滚流的作用，具有两种不同形状活塞顶的燃烧室在接近压缩终了时，缸内混合气都能呈明显分层构造。在火花塞附近聚集了较浓的可燃混合气，而离火花塞较远处则是较稀的混合气，浓稀区域之间混合气自然分层。由此表明在部分负荷工况下LPG发动机的分层稀薄燃烧是可实现的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.1.1汽车造成的石油消耗和环境污染概况

1.1.2汽车发动机技术发展概况

1.1.3汽车清洁代用燃料

1.1.4我国LPG资源状况

1.1.5我国发展LPG汽车的必要性和可行性

1.2 LPG的燃料特性及燃用LPG发动机的特点

1.2.1 LPG的物理化学性质

1.2.2 LPG的燃料特性

1.2.3燃用LPG发动机的特点

1.3国内外LPG汽车的研究和发展情况

1.4 LPG汽车技术的发展现状

1.5本文的主要工作内容

1.6本论文的构成概要

第2章数值模拟计算的理论基础

2.1基本控制方程

2.1.1质量守恒方程

2.1.2动量守恒方程

2.1.3能量守恒方程

2.1.4补充方程

2.2湍流及其数学描述

2.2.1湍流的连续性时均方程

2.2.2湍流的雷诺方程

2.2.3湍流的能量时均方程

2.3喷雾模型的控制方程

2.3.1喷雾粒子的基本方程

2.3.2液滴的蒸发模型

2.3.3雾化(破碎)模型

2.3.4碰撞模型

2.4本章小结

第3章离散方法和网格技术

3.1基于有限容积法的控制方程离散

3.1.1离散化方程的构建

3.1.2有限容积法的基本思想

3.1.3差分方程的建立

3.1.4采用SIMPLE法对离散方程进行求解

3.1.5松弛因子

3.2计算网格的生成

3.2.1计算网格生成技术简介

3.2.2 LPG液态缸内直接喷射发动机数值模拟网格生成方案

3.3本章小结

第4章缸内混合气分层稀薄燃烧形成过程的模拟验证

4.1分层稀薄燃烧技术简介

4.2实现分层稀薄燃烧的措施

4.3移动网格技术及移动网格建立

4.3.1移动网格技术

4.3.2移动网格建立

4.4计算模型可行性验证

4.4.1初始、边界条件的建立

4.4.2各计算变量松弛因子的选择

4.4.3数值解析模型的选取

4.4.4计算收敛标准的设定

4.4.5计算结果与实验的对比

4.5本章小结

第5章 LPG液态缸内混合气形成过程的研究

5.1屋脊型活塞顶缸内混合气形成过程的数值模拟

5.1.1闪急沸腾雾化机理

5.1.2用户自定义函数

5.1.3数学模型

5.1.4边界条件和初始条件

5.1.5数值解析模型

5.1.6数值模拟结果分析

5.2凹坑型活塞顶缸内混合气形成过程的数值模拟

5.2.1数学模型

5.2.2边界条件和初始条件

5.2.3数值解析模型

5.2.4数值模拟结果分析

5.3本章小结

第6章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表学术论文