點火式LPG發動機數值模擬與仿真分析

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和對高效節能的趨勢要求是我們要解決的一個重要課題，LPG發動機采用控制技術、稀燃技術以及合理優化發動機參數等措施可以解決這項課題。本文針對點火式LPG發動機進行了缸內燃燒過程的三維數值模擬，研究了LPG發動機在稀燃狀態下的燃燒特性。分析了點火提前角、壓縮比以及燃燒室結構對LPG發動機燃燒過程中缸內壓力、溫度、累積放熱量、已燃燃氣質量分數以及NO質量分數等參數的影響，探索出對LPG發動機燃燒過程的影響規律，為LPG發動機設計以及性能試驗研究提出方向性的建議。

1 點火式LPG發動機數值模擬計算模型

1.1 數值方法解析

在AVL CFD軟件中關于對多面體移動網格的分解原則、模型方程的完整形式、數值網格的基本特征和數據結構形式以及關鍵的分解方法。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，將數值解法離散化，然后轉換成代數方程，大大簡化計算工作量。

1.2 系統的代數方程

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系，根據Zeldovich機理，NO的生成率關系式為：其中為正向反應率，為逆向反應率[5]。

式中：

A表示指數前的因子；

Ea表示活化能。

2 點火式LPG發動機數據模擬結果及分析

根據上述數據模型，對點火式LPG發動機進行模擬，對三維模型進行了驗證，根據計算得到的點火式LPG發動機缸內壓力、溫度數據與試驗結果進行比較。分析參數和結構對LPG發動機燃燒過程的影響。主要參數有過量空氣系數、點火提前角、壓縮比等。對不同參數和結構分析了燃燒過程的溫度流場、速度流場，尋找參數對燃燒過程影響規律。同時分析了這些參數對缸內壓力、溫度、累積放熱量、已燃燃氣質量分數以及NO質量分數影響規律。

2.1 過量空氣系數對LPG發動機燃燒過程的影響

2.1.1 過量空氣系數對LPG發動機燃燒過程的影響分析（稀燃特性）

本文針對所研究的LPG發動機，在轉速為2200r/min，點火提前角為20°CA時，研究不同過量空氣系數（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定過量空氣系數為1.5，也就是稀燃。當過量空氣系數大于1時，LPG發動機缸內溫度隨混合氣的過量空氣系數的增大而減少，最高壓力點后移；而當過量空氣系數從小于1.0時，缸內的溫度有所下降，最高壓力前移；在過量空氣系數為1時，缸內溫度為最大。隨著過量空氣系數增大，缸內的累積放熱量減少，其變化規律與缸內溫度和壓力的變化規律比較相似。缸內累積放熱量在短時間內迅速增大到某一點，其后增長放緩，當混合氣變稀后，累積放熱量在短時間內迅速增大的能力減弱。λ＝1.0已燃燃氣質量分數最大，當λ大于1.0時，已燃燃氣分數下降，當λ小于1. 0時，分數也下降。當λ＝1.5為稀薄混合氣時，已燃燃氣質量分數曲線上升較平緩，說明稀燃時，缸內燃燒比較柔和，燃燒速度比較緩慢。NO質量分數分布是以λ＝1.1為中心的分布，當λ＝1.1時，NO質量分數的數值最大；當λ大于1.1時，NO質量分數是降低的，而且下降的程度非常大，是最大數值的一半以上；當λ＝1.5時NO質量分數下降更大，僅是最高值的15分之一，NO質量分數很小，這就是稀燃優勢之一。

2.1.2 過量空氣系數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 不同過量空氣系數溫度場對比

圖1右邊是使用FIRE軟件生成的過量空氣系數為1.5時缸內溫度場示意圖，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燃燒且燃燒區域的溫度最高可以1641.3K。此時λ=1.0的缸內可燃混合氣燃燒，已燃區域溫度比λ=1.5時提高大，而且其燃燒區域明顯比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中的缸內已燃混合氣已經布滿整個燃燒室的70%，而λ=1.0已燃區域占燃燒室將近90%。λ=1.5和λ=1.0缸內可燃混合氣幾乎燃燒完全，此時的燃燒溫度已經下降許多。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，以防止后燃現象出現。

2）燃燒速度場顯示和分析

在LPG發動機的燃燒過程中，氣缸內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。從圖2（b）可知，當缸內可燃混合氣基本燃燒完全時，兩種狀況的缸內流速分布幾乎一樣，且各區域流速值也差不多。

圖2 不同過量空氣系數缸內速度場對比圖

2.2 點火提前角對LPG發動機燃燒過程的影響

2.2.1 點火提前角對LPG發動機燃燒過程的影響分析

針對研究對象，在轉速為2200r/min，過量空氣系數為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，缸內溫度減小。隨著點火提前角的增大，最高溫度點出現的時刻也向上止點逼近。這說明25°CA點火提前角，缸內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量分數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量分數是相同的，最大的不同是累積放熱量和已燃燃氣質量分數開始的時刻不同，這與點火提前角密切相關。NO與燃燒的溫度有關，所以NO的情況與燃燒溫度相似，25°CA時NO質量分數最大，點火提前角大于或小于25°CA，NO質量分數都會下降。25°CA從理論上講是壓縮比為8、稀燃LPG發動機在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）燃燒溫度場分布轉速2200 、壓縮比8 和過量空氣系數1.5情況下，可以清楚看到不同點火提前角下缸內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 時缸內溫度場示意圖，右邊則為θ=20°CA時的缸內溫度場示意圖。壓縮10°CA之后，從圖3（a）中可以看到θ=25°CA的溫度場在已經出現，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）缸內速度場分布

在LPG發動機點火燃燒的過程中，在轉速2200、壓縮比8和過量空氣系數1.5情況下，可以清楚看到不同點火提前角下缸內速率的變化過程。從圖4(a)中可以看到，θ=25°CA時已經點火，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，前者區域略大于后者。當活塞下行20°CA時。從圖4（b）可知，當缸內可燃混合氣基本燃燒完全時，兩種狀況的缸內流速分布幾乎一樣，且各區域流速值也差不多。

3 結論

本文基于數值模擬在發動機上的良好應用，將點火式LPG發動機作為研究對象，形成三維模擬計算模型。針對LPG發動機的燃燒過程進行了三維燃燒數值模擬，使用FIRE軟件模擬分析了過量空氣系數、點火提前角、壓縮比、燃燒室結構調整對燃燒過程的影響，主要是對缸內壓力、溫度、累計放熱量、已燃燃氣質量分數以及NO質量分數影響規律。得出試驗用LPG發動機在稀燃情況下，其內部燃燒重要參數和主要排放物排放量的變化規律，總結了這些變化規律，為LPG發動機的進一步優化設計提供了科學指導方向。

圖4 不同點火提前角缸內速度場分布

[1] 管清友.中國能源戰略新思維[J].中國經濟周刊,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,張會強,王希麟,郭印誠,林文漪.湍流燃燒的簡化的聯合PDF模擬[J].清華大學學報(自然科學版),2001,(08) .