點(diǎn)火式LPG發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬與仿真分析

宋曉玲

（洛陽(yáng)理工學(xué)院，洛陽(yáng) 471023）

0 引言

液化石油氣（LPG）作為一種清潔燃料應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，成為解決能源短缺與排放污染的一種有效途徑[1]。如何滿足日益苛刻的排放法規(guī)和對(duì)高效節(jié)能的趨勢(shì)要求是我們要解決的一個(gè)重要課題，LPG發(fā)動(dòng)機(jī)采用控制技術(shù)、稀燃技術(shù)以及合理優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)等措施可以解決這項(xiàng)課題。本文針對(duì)點(diǎn)火式LPG發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了缸內(nèi)燃燒過(guò)程的三維數(shù)值模擬，研究了LPG發(fā)動(dòng)機(jī)在稀燃狀態(tài)下的燃燒特性。分析了點(diǎn)火提前角、壓縮比以及燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)LPG發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中缸內(nèi)壓力、溫度、累積放熱量、已燃燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)以及NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)等參數(shù)的影響，探索出對(duì)LPG發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程的影響規(guī)律，為L(zhǎng)PG發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)以及性能試驗(yàn)研究提出方向性的建議。

1 點(diǎn)火式LPG發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算模型

1.1 數(shù)值方法解析

在AVL CFD軟件中關(guān)于對(duì)多面體移動(dòng)網(wǎng)格的分解原則、模型方程的完整形式、數(shù)值網(wǎng)格的基本特征和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式以及關(guān)鍵的分解方法。對(duì)其模型求解時(shí)，可以采用公式（1）[2]。

矢量（笛卡兒坐標(biāo)下的流體速度Ui）或者張量；

守恒方程的積分模型可以轉(zhuǎn)換成封閉模型，其初始條件和邊界條件可以是空間和時(shí)間的離散點(diǎn)，將數(shù)值解法離散化，然后轉(zhuǎn)換成代數(shù)方程，大大簡(jiǎn)化計(jì)算工作量。

1.2 系統(tǒng)的代數(shù)方程

1.2.1 對(duì)流通量

對(duì)流通量如下[3]：

1.2.2 擴(kuò)散通量

擴(kuò)散通量如下[4]：

1.3 NOx排放模型

NOx的生成與已燃?xì)怏w的溫度梯度有著密切的關(guān)系，根據(jù)Zeldovich機(jī)理，NO的生成率關(guān)系式為：其中為正向反應(yīng)率，為逆向反應(yīng)率[5]。

式中：

A表示指數(shù)前的因子；

Ea表示活化能。

2 點(diǎn)火式LPG發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)模擬結(jié)果及分析

根據(jù)上述數(shù)據(jù)模型，對(duì)點(diǎn)火式LPG發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行模擬，對(duì)三維模型進(jìn)行了驗(yàn)證，根據(jù)計(jì)算得到的點(diǎn)火式LPG發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力、溫度數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。分析參數(shù)和結(jié)構(gòu)對(duì)LPG發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程的影響。主要參數(shù)有過(guò)量空氣系數(shù)、點(diǎn)火提前角、壓縮比等。對(duì)不同參數(shù)和結(jié)構(gòu)分析了燃燒過(guò)程的溫度流場(chǎng)、速度流場(chǎng)，尋找參數(shù)對(duì)燃燒過(guò)程影響規(guī)律。同時(shí)分析了這些參數(shù)對(duì)缸內(nèi)壓力、溫度、累積放熱量、已燃燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)以及NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響規(guī)律。

2.1 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)LPG發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程的影響

2.1.1 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)LPG發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程的影響分析（稀燃特性）

本文針對(duì)所研究的LPG發(fā)動(dòng)機(jī)，在轉(zhuǎn)速為2200r/min，點(diǎn)火提前角為20°CA時(shí)，研究不同過(guò)量空氣系數(shù)（λ＝1.5、1.3、1.1、0.30、0.8），壓縮比為8，燃燒室沒(méi)有改變情況下的燃燒特性。稀限一般在1.45到1.6附近，本文模擬計(jì)算過(guò)程中設(shè)定過(guò)量空氣系數(shù)為1.5，也就是稀燃。當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)大于1時(shí)，LPG發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度隨混合氣的過(guò)量空氣系數(shù)的增大而減少，最高壓力點(diǎn)后移；而當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)從小于1.0時(shí)，缸內(nèi)的溫度有所下降，最高壓力前移；在過(guò)量空氣系數(shù)為1時(shí)，缸內(nèi)溫度為最大。隨著過(guò)量空氣系數(shù)增大，缸內(nèi)的累積放熱量減少，其變化規(guī)律與缸內(nèi)溫度和壓力的變化規(guī)律比較相似。缸內(nèi)累積放熱量在短時(shí)間內(nèi)迅速增大到某一點(diǎn)，其后增長(zhǎng)放緩，當(dāng)混合氣變稀后，累積放熱量在短時(shí)間內(nèi)迅速增大的能力減弱。λ＝1.0已燃燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，當(dāng)λ大于1.0時(shí)，已燃燃?xì)夥謹(jǐn)?shù)下降，當(dāng)λ小于1. 0時(shí)，分?jǐn)?shù)也下降。當(dāng)λ＝1.5為稀薄混合氣時(shí)，已燃燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線上升較平緩，說(shuō)明稀燃時(shí)，缸內(nèi)燃燒比較柔和，燃燒速度比較緩慢。NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布是以λ＝1.1為中心的分布，當(dāng)λ＝1.1時(shí)，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的數(shù)值最大；當(dāng)λ大于1.1時(shí)，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)是降低的，而且下降的程度非常大，是最大數(shù)值的一半以上；當(dāng)λ＝1.5時(shí)NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降更大，僅是最高值的15分之一，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)很小，這就是稀燃優(yōu)勢(shì)之一。

2.1.2 過(guò)量空氣系數(shù)變化情況下燃燒溫度等場(chǎng)分布顯示和分析

1）燃燒溫度顯示和分析

圖1 不同過(guò)量空氣系數(shù)溫度場(chǎng)對(duì)比

圖1右邊是使用FIRE軟件生成的過(guò)量空氣系數(shù)為1.5時(shí)缸內(nèi)溫度場(chǎng)示意圖，而左邊則為1.0時(shí)的溫度場(chǎng)示意圖。在火花塞點(diǎn)火之前的10°CA，從圖1（a）中可以看到缸內(nèi)的溫度都所提高，但溫度相差不大。λ=1.5情況可燃混合氣已經(jīng)燃燒且燃燒區(qū)域的溫度最高可以1641.3K。此時(shí)λ=1.0的缸內(nèi)可燃混合氣燃燒，已燃區(qū)域溫度比λ=1.5時(shí)提高大，而且其燃燒區(qū)域明顯比λ=1.5大得多。說(shuō)明稀燃燃燒溫度比較低。從圖1(b)中可以觀察到λ=1.5中的缸內(nèi)已燃混合氣已經(jīng)布滿整個(gè)燃燒室的70%，而λ=1.0已燃區(qū)域占燃燒室將近90%。λ=1.5和λ=1.0缸內(nèi)可燃混合氣幾乎燃燒完全，此時(shí)的燃燒溫度已經(jīng)下降許多。從上述溫度場(chǎng)圖可以看出，稀燃（λ=1.5）的燃燒溫度比正常燃燒的燃燒溫度低，同樣可以看出，汽油機(jī)的最佳點(diǎn)火提前角20°CA也不是LPG燃燒的最佳點(diǎn)火提前角，至少應(yīng)該提前，以防止后燃現(xiàn)象出現(xiàn)。

2）燃燒速度場(chǎng)顯示和分析

在LPG發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程中，氣缸內(nèi)部的混合氣的速度場(chǎng)也是隨著燃燒過(guò)程程度而有一定變化的。從圖2(a)中可以看到活塞在壓縮終了之前的30°CA和20°CA時(shí)，兩種氣體速度狀態(tài)基本相同，此時(shí)最大的特點(diǎn)是活塞頂部的氣流速度比較大，形成了渦流現(xiàn)象，有利于燃燒。與溫度場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，都是壓縮終了之前的未燃狀態(tài)。從圖2（b）可知，當(dāng)缸內(nèi)可燃混合氣基本燃燒完全時(shí)，兩種狀況的缸內(nèi)流速分布幾乎一樣，且各區(qū)域流速值也差不多。

圖2 不同過(guò)量空氣系數(shù)缸內(nèi)速度場(chǎng)對(duì)比圖

2.2 點(diǎn)火提前角對(duì)LPG發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程的影響

2.2.1 點(diǎn)火提前角對(duì)LPG發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程的影響分析

針對(duì)研究對(duì)象，在轉(zhuǎn)速為2200r/min，過(guò)量空氣系數(shù)為1.5，壓縮比為8，點(diǎn)火提前角分別為上止點(diǎn)前10°CA、15°CA、20°CA、25°CA、30°CA的5個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算。壓縮比是8時(shí)，25°CA是一個(gè)分水嶺，小于25°CA，隨著點(diǎn)火提前角增大，溫度下降，大于25°CA，隨著點(diǎn)火提前角的增大，缸內(nèi)溫度減小。隨著點(diǎn)火提前角的增大，最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻也向上止點(diǎn)逼近。這說(shuō)明25°CA點(diǎn)火提前角，缸內(nèi)可燃混合氣的燃燒速度最高，溫度的升高率最大。累積的放熱量和已燃燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)在不同點(diǎn)火提前角情況下，最后的累積放熱量和已燃燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)是相同的，最大的不同是累積放熱量和已燃燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)開始的時(shí)刻不同，這與點(diǎn)火提前角密切相關(guān)。NO與燃燒的溫度有關(guān)，所以NO的情況與燃燒溫度相似，25°CA時(shí)NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，點(diǎn)火提前角大于或小于25°CA，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)都會(huì)下降。25°CA從理論上講是壓縮比為8、稀燃LPG發(fā)動(dòng)機(jī)在2200r/min最佳點(diǎn)火提前角。

2.2.2 點(diǎn)火提前角變化情況下燃燒溫度等場(chǎng)分布顯示和分析

1）燃燒溫度場(chǎng)分布轉(zhuǎn)速2200 、壓縮比8 和過(guò)量空氣系數(shù)1.5情況下，可以清楚看到不同點(diǎn)火提前角下缸內(nèi)溫度場(chǎng)的比較變化過(guò)程。

圖3 不同點(diǎn)火提前角燃燒溫度場(chǎng)分布

圖3左邊是θ=25°CA 時(shí)缸內(nèi)溫度場(chǎng)示意圖，右邊則為θ=20°CA時(shí)的缸內(nèi)溫度場(chǎng)示意圖。壓縮10°CA之后，從圖3（a）中可以看到θ=25°CA的溫度場(chǎng)在已經(jīng)出現(xiàn)，以火花塞為中心形成火焰，在火花塞周圍的溫度都所提高，θ=20°CA的溫度與溫度有所提高，但變化不大。如圖(b)所示，θ=20°CA與θ=25°CA 的燃燒溫度分布基本一致，相比來(lái)說(shuō)，θ=25°CA時(shí)的燃燒的高溫區(qū)域范圍要比θ=20°CA大些。此溫度場(chǎng)再次說(shuō)明θ=25°CA是最佳提前角。

2）缸內(nèi)速度場(chǎng)分布

在LPG發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火燃燒的過(guò)程中，在轉(zhuǎn)速2200、壓縮比8和過(guò)量空氣系數(shù)1.5情況下，可以清楚看到不同點(diǎn)火提前角下缸內(nèi)速率的變化過(guò)程。從圖4(a)中可以看到，θ=25°CA時(shí)已經(jīng)點(diǎn)火，但速度與θ=20°CA相差不大。由于燃燒室容積的進(jìn)一步變小，θ=25°CA與θ=20°CA情況下火花塞周圍形成兩個(gè)對(duì)稱的花瓣形狀的高速區(qū)，前者區(qū)域略大于后者。當(dāng)活塞下行20°CA時(shí)。從圖4（b）可知，當(dāng)缸內(nèi)可燃混合氣基本燃燒完全時(shí)，兩種狀況的缸內(nèi)流速分布幾乎一樣，且各區(qū)域流速值也差不多。

3 結(jié)論

本文基于數(shù)值模擬在發(fā)動(dòng)機(jī)上的良好應(yīng)用，將點(diǎn)火式LPG發(fā)動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象，形成三維模擬計(jì)算模型。針對(duì)LPG發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程進(jìn)行了三維燃燒數(shù)值模擬，使用FIRE軟件模擬分析了過(guò)量空氣系數(shù)、點(diǎn)火提前角、壓縮比、燃燒室結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)燃燒過(guò)程的影響，主要是對(duì)缸內(nèi)壓力、溫度、累計(jì)放熱量、已燃燃?xì)赓|(zhì)量分?jǐn)?shù)以及NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響規(guī)律。得出試驗(yàn)用LPG發(fā)動(dòng)機(jī)在稀燃情況下，其內(nèi)部燃燒重要參數(shù)和主要排放物排放量的變化規(guī)律，總結(jié)了這些變化規(guī)律，為L(zhǎng)PG發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了科學(xué)指導(dǎo)方向。

圖4 不同點(diǎn)火提前角缸內(nèi)速度場(chǎng)分布

[1] 管清友.中國(guó)能源戰(zhàn)略新思維[J].中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊,2010,01:79-80.

[2] Peric M.A Finite Volume Method for the Prediction of Three-Dimensional Fluid Flow in Complex Ducts.University of London,1985.

[3] Khosla P.K.,Rubin S.G.A Diagonally Dominant Second-Order Accurate Implicit Scheme. Computers &Fluids,1974(2):207-209.

[4] Rhie C.M.,Chow W.L.Numerical Study of the Turbulent Flow Past an Airfoil withTrailing Edge Separation.AIAA Journal,1983(21):1525-1532.

[5] 郭治民,張會(huì)強(qiáng),王希麟,郭印誠(chéng),林文漪.湍流燃燒的簡(jiǎn)化的聯(lián)合PDF模擬[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,(08) .