点火式LPG发动机数值模拟与仿真分析

宋晓玲

（洛阳理工学院，洛阳 471023）

0 引言

液化石油气（LPG）作为一种清洁燃料应用于汽车发动机中，成为解决能源短缺与排放污染的一种有效途径[1]。如何满足日益苛刻的排放法规和对高效节能的趋势要求是我们要解决的一个重要课题，LPG发动机采用控制技术、稀燃技术以及合理优化发动机参数等措施可以解决这项课题。本文针对点火式LPG发动机进行了缸内燃烧过程的三维数值模拟，研究了LPG发动机在稀燃状态下的燃烧特性。分析了点火提前角、压缩比以及燃烧室结构对LPG发动机燃烧过程中缸内压力、温度、累积放热量、已燃燃气质量分数以及NO质量分数等参数的影响，探索出对LPG发动机燃烧过程的影响规律，为LPG发动机设计以及性能试验研究提出方向性的建议。

1 点火式LPG发动机数值模拟计算模型

1.1 数值方法解析

在AVL CFD软件中关于对多面体移动网格的分解原则、模型方程的完整形式、数值网格的基本特征和数据结构形式以及关键的分解方法。对其模型求解时，可以采用公式（1）[2]。

矢量（笛卡儿坐标下的流体速度Ui）或者张量；

守恒方程的积分模型可以转换成封闭模型，其初始条件和边界条件可以是空间和时间的离散点，将数值解法离散化，然后转换成代数方程，大大简化计算工作量。

1.2 系统的代数方程

1.2.1 对流通量

对流通量如下[3]：

1.2.2 扩散通量

扩散通量如下[4]：

1.3 NOx排放模型

NOx的生成与已燃气体的温度梯度有着密切的关系，根据Zeldovich机理，NO的生成率关系式为：其中为正向反应率，为逆向反应率[5]。

式中：

A表示指数前的因子；

Ea表示活化能。

2 点火式LPG发动机数据模拟结果及分析

根据上述数据模型，对点火式LPG发动机进行模拟，对三维模型进行了验证，根据计算得到的点火式LPG发动机缸内压力、温度数据与试验结果进行比较。分析参数和结构对LPG发动机燃烧过程的影响。主要参数有过量空气系数、点火提前角、压缩比等。对不同参数和结构分析了燃烧过程的温度流场、速度流场，寻找参数对燃烧过程影响规律。同时分析了这些参数对缸内压力、温度、累积放热量、已燃燃气质量分数以及NO质量分数影响规律。

2.1 过量空气系数对LPG发动机燃烧过程的影响

2.1.1 过量空气系数对LPG发动机燃烧过程的影响分析（稀燃特性）

本文针对所研究的LPG发动机，在转速为2200r/min，点火提前角为20°CA时，研究不同过量空气系数（λ＝1.5、1.3、1.1、0.30、0.8），压缩比为8，燃烧室没有改变情况下的燃烧特性。稀限一般在1.45到1.6附近，本文模拟计算过程中设定过量空气系数为1.5，也就是稀燃。当过量空气系数大于1时，LPG发动机缸内温度随混合气的过量空气系数的增大而减少，最高压力点后移；而当过量空气系数从小于1.0时，缸内的温度有所下降，最高压力前移；在过量空气系数为1时，缸内温度为最大。随着过量空气系数增大，缸内的累积放热量减少，其变化规律与缸内温度和压力的变化规律比较相似。缸内累积放热量在短时间内迅速增大到某一点，其后增长放缓，当混合气变稀后，累积放热量在短时间内迅速增大的能力减弱。λ＝1.0已燃燃气质量分数最大，当λ大于1.0时，已燃燃气分数下降，当λ小于1. 0时，分数也下降。当λ＝1.5为稀薄混合气时，已燃燃气质量分数曲线上升较平缓，说明稀燃时，缸内燃烧比较柔和，燃烧速度比较缓慢。NO质量分数分布是以λ＝1.1为中心的分布，当λ＝1.1时，NO质量分数的数值最大；当λ大于1.1时，NO质量分数是降低的，而且下降的程度非常大，是最大数值的一半以上；当λ＝1.5时NO质量分数下降更大，仅是最高值的15分之一，NO质量分数很小，这就是稀燃优势之一。

2.1.2 过量空气系数变化情况下燃烧温度等场分布显示和分析

1）燃烧温度显示和分析

图1 不同过量空气系数温度场对比

图1右边是使用FIRE软件生成的过量空气系数为1.5时缸内温度场示意图，而左边则为1.0时的温度场示意图。在火花塞点火之前的10°CA，从图1（a）中可以看到缸内的温度都所提高，但温度相差不大。λ=1.5情况可燃混合气已经燃烧且燃烧区域的温度最高可以1641.3K。此时λ=1.0的缸内可燃混合气燃烧，已燃区域温度比λ=1.5时提高大，而且其燃烧区域明显比λ=1.5大得多。说明稀燃燃烧温度比较低。从图1(b)中可以观察到λ=1.5中的缸内已燃混合气已经布满整个燃烧室的70%，而λ=1.0已燃区域占燃烧室将近90%。λ=1.5和λ=1.0缸内可燃混合气几乎燃烧完全，此时的燃烧温度已经下降许多。从上述温度场图可以看出，稀燃（λ=1.5）的燃烧温度比正常燃烧的燃烧温度低，同样可以看出，汽油机的最佳点火提前角20°CA也不是LPG燃烧的最佳点火提前角，至少应该提前，以防止后燃现象出现。

2）燃烧速度场显示和分析

在LPG发动机的燃烧过程中，气缸内部的混合气的速度场也是随着燃烧过程程度而有一定变化的。从图2(a)中可以看到活塞在压缩终了之前的30°CA和20°CA时，两种气体速度状态基本相同，此时最大的特点是活塞顶部的气流速度比较大，形成了涡流现象，有利于燃烧。与温度场相对应，都是压缩终了之前的未燃状态。从图2（b）可知，当缸内可燃混合气基本燃烧完全时，两种状况的缸内流速分布几乎一样，且各区域流速值也差不多。

图2 不同过量空气系数缸内速度场对比图

2.2 点火提前角对LPG发动机燃烧过程的影响

2.2.1 点火提前角对LPG发动机燃烧过程的影响分析

针对研究对象，在转速为2200r/min，过量空气系数为1.5，压缩比为8，点火提前角分别为上止点前10°CA、15°CA、20°CA、25°CA、30°CA的5个特征点进行了相关计算。压缩比是8时，25°CA是一个分水岭，小于25°CA，随着点火提前角增大，温度下降，大于25°CA，随着点火提前角的增大，缸内温度减小。随着点火提前角的增大，最高温度点出现的时刻也向上止点逼近。这说明25°CA点火提前角，缸内可燃混合气的燃烧速度最高，温度的升高率最大。累积的放热量和已燃燃气质量分数在不同点火提前角情况下，最后的累积放热量和已燃燃气质量分数是相同的，最大的不同是累积放热量和已燃燃气质量分数开始的时刻不同，这与点火提前角密切相关。NO与燃烧的温度有关，所以NO的情况与燃烧温度相似，25°CA时NO质量分数最大，点火提前角大于或小于25°CA，NO质量分数都会下降。25°CA从理论上讲是压缩比为8、稀燃LPG发动机在2200r/min最佳点火提前角。

2.2.2 点火提前角变化情况下燃烧温度等场分布显示和分析

1）燃烧温度场分布转速2200 、压缩比8 和过量空气系数1.5情况下，可以清楚看到不同点火提前角下缸内温度场的比较变化过程。

图3 不同点火提前角燃烧温度场分布

图3左边是θ=25°CA 时缸内温度场示意图，右边则为θ=20°CA时的缸内温度场示意图。压缩10°CA之后，从图3（a）中可以看到θ=25°CA的温度场在已经出现，以火花塞为中心形成火焰，在火花塞周围的温度都所提高，θ=20°CA的温度与温度有所提高，但变化不大。如图(b)所示，θ=20°CA与θ=25°CA 的燃烧温度分布基本一致，相比来说，θ=25°CA时的燃烧的高温区域范围要比θ=20°CA大些。此温度场再次说明θ=25°CA是最佳提前角。

2）缸内速度场分布

在LPG发动机点火燃烧的过程中，在转速2200、压缩比8和过量空气系数1.5情况下，可以清楚看到不同点火提前角下缸内速率的变化过程。从图4(a)中可以看到，θ=25°CA时已经点火，但速度与θ=20°CA相差不大。由于燃烧室容积的进一步变小，θ=25°CA与θ=20°CA情况下火花塞周围形成两个对称的花瓣形状的高速区，前者区域略大于后者。当活塞下行20°CA时。从图4（b）可知，当缸内可燃混合气基本燃烧完全时，两种状况的缸内流速分布几乎一样，且各区域流速值也差不多。

3 结论

本文基于数值模拟在发动机上的良好应用，将点火式LPG发动机作为研究对象，形成三维模拟计算模型。针对LPG发动机的燃烧过程进行了三维燃烧数值模拟，使用FIRE软件模拟分析了过量空气系数、点火提前角、压缩比、燃烧室结构调整对燃烧过程的影响，主要是对缸内压力、温度、累计放热量、已燃燃气质量分数以及NO质量分数影响规律。得出试验用LPG发动机在稀燃情况下，其内部燃烧重要参数和主要排放物排放量的变化规律，总结了这些变化规律，为LPG发动机的进一步优化设计提供了科学指导方向。

图4 不同点火提前角缸内速度场分布

[1] 管清友.中国能源战略新思维[J].中国经济周刊,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,张会强,王希麟,郭印诚,林文漪.湍流燃烧的简化的联合PDF模拟[J].清华大学学报(自然科学版),2001,(08) .