宋曉玲

（洛陽理工學院，洛陽 471023）

0 引言

液化石油氣（LPG）作為一種清潔燃料應用于汽車發(fā)動機中，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)和對高效節(jié)能的趨勢要求是我們要解決的一個重要課題，LPG發(fā)動機采用控制技術(shù)、稀燃技術(shù)以及合理優(yōu)化發(fā)動機參數(shù)等措施可以解決這項課題。本文針對點火式LPG發(fā)動機進行了缸內(nèi)燃燒過程的三維數(shù)值模擬，研究了LPG發(fā)動機在稀燃狀態(tài)下的燃燒特性。分析了點火提前角、壓縮比以及燃燒室結(jié)構(gòu)對LPG發(fā)動機燃燒過程中缸內(nèi)壓力、溫度、累積放熱量、已燃燃氣質(zhì)量分數(shù)以及NO質(zhì)量分數(shù)等參數(shù)的影響，探索出對LPG發(fā)動機燃燒過程的影響規(guī)律，為LPG發(fā)動機設(shè)計以及性能試驗研究提出方向性的建議。

1 點火式LPG發(fā)動機數(shù)值模擬計算模型

1.1 數(shù)值方法解析

在AVL CFD軟件中關(guān)于對多面體移動網(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。對其模型求解時，可以采用公式（1）[2]。

矢量（笛卡兒坐標下的流體速度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間的離散點，將數(shù)值解法離散化，然后轉(zhuǎn)換成代數(shù)方程，大大簡化計算工作量。

1.2 系統(tǒng)的代數(shù)方程

1.2.1 對流通量

對流通量如下[3]：

1.2.2 擴散通量

擴散通量如下[4]：

1.3 NOx排放模型

NOx的生成與已燃氣體的溫度梯度有著密切的關(guān)系，根據(jù)Zeldovich機理，NO的生成率關(guān)系式為：其中為正向反應率，為逆向反應率[5]。

式中：

A表示指數(shù)前的因子；

Ea表示活化能。

2 點火式LPG發(fā)動機數(shù)據(jù)模擬結(jié)果及分析

根據(jù)上述數(shù)據(jù)模型，對點火式LPG發(fā)動機進行模擬，對三維模型進行了驗證，根據(jù)計算得到的點火式LPG發(fā)動機缸內(nèi)壓力、溫度數(shù)據(jù)與試驗結(jié)果進行比較。分析參數(shù)和結(jié)構(gòu)對LPG發(fā)動機燃燒過程的影響。主要參數(shù)有過量空氣系數(shù)、點火提前角、壓縮比等。對不同參數(shù)和結(jié)構(gòu)分析了燃燒過程的溫度流場、速度流場，尋找參數(shù)對燃燒過程影響規(guī)律。同時分析了這些參數(shù)對缸內(nèi)壓力、溫度、累積放熱量、已燃燃氣質(zhì)量分數(shù)以及NO質(zhì)量分數(shù)影響規(guī)律。

2.1 過量空氣系數(shù)對LPG發(fā)動機燃燒過程的影響

2.1.1 過量空氣系數(shù)對LPG發(fā)動機燃燒過程的影響分析（稀燃特性）

本文針對所研究的LPG發(fā)動機，在轉(zhuǎn)速為2200r/min，點火提前角為20°CA時，研究不同過量空氣系數(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，本文模擬計算過程中設(shè)定過量空氣系數(shù)為1.5，也就是稀燃。當過量空氣系數(shù)大于1時，LPG發(fā)動機缸內(nèi)溫度隨混合氣的過量空氣系數(shù)的增大而減少，最高壓力點后移；而當過量空氣系數(shù)從小于1.0時，缸內(nèi)的溫度有所下降，最高壓力前移；在過量空氣系數(shù)為1時，缸內(nèi)溫度為最大。隨著過量空氣系數(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)累積放熱量在短時間內(nèi)迅速增大到某一點，其后增長放緩，當混合氣變稀后，累積放熱量在短時間內(nèi)迅速增大的能力減弱。λ＝1.0已燃燃氣質(zhì)量分數(shù)最大，當λ大于1.0時，已燃燃氣分數(shù)下降，當λ小于1. 0時，分數(shù)也下降。當λ＝1.5為稀薄混合氣時，已燃燃氣質(zhì)量分數(shù)曲線上升較平緩，說明稀燃時，缸內(nèi)燃燒比較柔和，燃燒速度比較緩慢。NO質(zhì)量分數(shù)分布是以λ＝1.1為中心的分布，當λ＝1.1時，NO質(zhì)量分數(shù)的數(shù)值最大；當λ大于1.1時，NO質(zhì)量分數(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λ＝1.5時NO質(zhì)量分數(shù)下降更大，僅是最高值的15分之一，NO質(zhì)量分數(shù)很小，這就是稀燃優(yōu)勢之一。

2.1.2 過量空氣系數(shù)變化情況下燃燒溫度等場分布顯示和分析

1）燃燒溫度顯示和分析

圖1 不同過量空氣系數(shù)溫度場對比

圖1右邊是使用FIRE軟件生成的過量空氣系數(shù)為1.5時缸內(nèi)溫度場示意圖，而左邊則為1.0時的溫度場示意圖。在火花塞點火之前的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時提高大，而且其燃燒區(qū)域明顯比λ=1.5大得多。說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，此時的燃燒溫度已經(jīng)下降許多。從上述溫度場圖可以看出，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，汽油機的最佳點火提前角20°CA也不是LPG燃燒的最佳點火提前角，至少應該提前，以防止后燃現(xiàn)象出現(xiàn)。

2）燃燒速度場顯示和分析

在LPG發(fā)動機的燃燒過程中，氣缸內(nèi)部的混合氣的速度場也是隨著燃燒過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，兩種氣體速度狀態(tài)基本相同，此時最大的特點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。與溫度場相對應，都是壓縮終了之前的未燃狀態(tài)。從圖2（b）可知，當缸內(nèi)可燃混合氣基本燃燒完全時，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 不同過量空氣系數(shù)缸內(nèi)速度場對比圖

2.2 點火提前角對LPG發(fā)動機燃燒過程的影響

2.2.1 點火提前角對LPG發(fā)動機燃燒過程的影響分析

針對研究對象，在轉(zhuǎn)速為2200r/min，過量空氣系數(shù)為1.5，壓縮比為8，點火提前角分別為上止點前10°CA、15°CA、20°CA、25°CA、30°CA的5個特征點進行了相關(guān)計算。壓縮比是8時，25°CA是一個分水嶺，小于25°CA，隨著點火提前角增大，溫度下降，大于25°CA，隨著點火提前角的增大，缸內(nèi)溫度減小。隨著點火提前角的增大，最高溫度點出現(xiàn)的時刻也向上止點逼近。這說明25°CA點火提前角，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氣質(zhì)量分數(shù)在不同點火提前角情況下，最后的累積放熱量和已燃燃氣質(zhì)量分數(shù)是相同的，最大的不同是累積放熱量和已燃燃氣質(zhì)量分數(shù)開始的時刻不同，這與點火提前角密切相關(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NO質(zhì)量分數(shù)最大，點火提前角大于或小于25°CA，NO質(zhì)量分數(shù)都會下降。25°CA從理論上講是壓縮比為8、稀燃LPG發(fā)動機在2200r/min最佳點火提前角。

2.2.2 點火提前角變化情況下燃燒溫度等場分布顯示和分析

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

圖3 不同點火提前角燃燒溫度場分布

圖3左邊是θ=25°CA 時缸內(nèi)溫度場示意圖，右邊則為θ=20°CA時的缸內(nèi)溫度場示意圖。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，相比來說，θ=25°CA時的燃燒的高溫區(qū)域范圍要比θ=20°CA大些。此溫度場再次說明θ=25°CA是最佳提前角。

2）缸內(nèi)速度場分布

在LPG發(fā)動機點火燃燒的過程中，在轉(zhuǎn)速2200、壓縮比8和過量空氣系數(shù)1.5情況下，可以清楚看到不同點火提前角下缸內(nèi)速率的變化過程。從圖4(a)中可以看到，θ=25°CA時已經(jīng)點火，但速度與θ=20°CA相差不大。由于燃燒室容積的進一步變小，θ=25°CA與θ=20°CA情況下火花塞周圍形成兩個對稱的花瓣形狀的高速區(qū)，前者區(qū)域略大于后者。當活塞下行20°CA時。從圖4（b）可知，當缸內(nèi)可燃混合氣基本燃燒完全時，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)動機上的良好應用，將點火式LPG發(fā)動機作為研究對象，形成三維模擬計算模型。針對LPG發(fā)動機的燃燒過程進行了三維燃燒數(shù)值模擬，使用FIRE軟件模擬分析了過量空氣系數(shù)、點火提前角、壓縮比、燃燒室結(jié)構(gòu)調(diào)整對燃燒過程的影響，主要是對缸內(nèi)壓力、溫度、累計放熱量、已燃燃氣質(zhì)量分數(shù)以及NO質(zhì)量分數(shù)影響規(guī)律。得出試驗用LPG發(fā)動機在稀燃情況下，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LPG發(fā)動機的進一步優(yōu)化設(shè)計提供了科學指導方向。

圖4 不同點火提前角缸內(nèi)速度場分布

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