LPG缸内直接喷射发动机三维模型仿真

摘要

利用LPG、DME(二甲醚)等作为汽油、柴油的替代燃料来解决日趋严重的能源问题和环境问题已成为一种趋势。目前，LPG发动机使用过程中的动力性下降问题制约了其推广应用，研究LPG缸内直接喷射发动机将有助于解决其动力性下降的问题。 本文建立了LPG缸内直接喷射发动机三维模型。仿真发动机原型为柴油机，通过加装火花塞成为点燃式直喷发动机，可实现混合气均质燃烧。所建模型包括燃油喷射模型和燃烧模型。喷射模型包括瞬时蒸发模型、破碎子模型和碰壁子模型，其中瞬时蒸发模型为国内首次对LPG引入；燃烧模型包括相关火焰燃烧和NO<,X>排放子模型。在Fortran平台下编写LPG(本文仅考虑纯丁烷)的物化特性(0～5000K)。采用有限体积法对方程进行离散，并使用SIMPLE算法对离散后的控制方程组进行数值求解。发动机总体运转性能的优劣，主要是根据燃烧热效率、发动机噪声和运转粗暴性、有害排放物水平等方面来评价。但由于燃烧热效率的提高必然引起有害排放物水平的上升，因此提高发动机的整体性能必须综合考虑各方面因素，在可行的前提下逐步调整发动机的结构和运行参数。本文通过改变喷油持续期、喷嘴直径、点火提前角以及燃烧室形状的参数对LPG缸内直接喷射发动机进行仿真分析，确定了上述参数对LPG缸内直接喷射发动机性能的影响规律。研究表明：在综合考虑缸内压力、缸内温度以及NO<,X>排放水平的前提下，选择适当的喷油持续期、喷嘴直径以及合理的点火提前角和燃烧室形状可以显著提高LPG缸内直接喷射发动机的性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究代用燃料LPG发动机的必要性

1.2 LPG的特性

1.3 LPG汽车的发展状况与研究进展

1.4现阶段LPG发动机存在的问题

1.5提高内燃机动力性能的途径

1.6内燃机模拟仿真概述

1.7本课题的研究目标及内容

2 LPG缸内直接喷射发动机喷射、燃烧模型

2.1内燃机缸内喷射喷雾模型

2.1.1气相控制方程组

2.1.2湍流模型

2.1.3液相控制方程组

2.1.4瞬时蒸发模型

2.1.5破碎模型-Wave模型

2.1.6碰壁模型-Walljet模型

2.2内燃机缸内直接喷射燃烧模型

2.2.1组分质量守恒方程

2.2.2湍流燃烧模型——相关火焰模型

2.2.3 NOx排放模型—扩充Zeldovich模型

2.3本章小结

3控制方程的数值解法

3.1建立离散方程

3.1.1常见离散格式

3.1.2控制方程离散

3.2基于SIMPLE算法的流场数值计算

3.2.1流场数值计算的主要方法

3.2.2流场计算的SIMPLE算法

3.3本章小结

4 LPG缸内直接喷射喷雾、燃烧三维仿真

4.1软件介绍

4.2网格划分

4.3边界条件、初始条件及计算步长

4.3.1边界条件

4.3.2初始条件及计算步长

4.3.3计算步长

4.4编译LPG物化数据库

4.5本章小结

5 LPG缸内直接喷射喷雾、燃烧三维仿真结果分析

5.1燃油雾化情况分析

5.1.1喷油持续期对发动机的性能影响

5.1.2喷嘴直径对发动机的性能影响

5.2点火提前角对发动机性能影响分析

5.3燃烧室形状对发动机性能的影响分析

5.3.1网格结构

5.3.2两种燃烧室结构的发动机性能比较

5.4本章小结

6总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文