液态LPG中心喷射发动机混合气形成的研究

第２５卷　２０１０芷　第６期　１２月　山东建筑大学学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＡＮＤＯＮＧ　ＪＩＡＮＺＨＵ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　Ｖｏｌ＿２５　Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．　２０１０　

文章编号：１６７３—７６４４ｆ２０１０）０６—０５８１—０５　

液态ＬＰＧ中心喷射发动机混合气形成的研究　

孙德志　，刘盛强　，刘鲁宁　，田海影　，许伯彦　

（１．山东建筑大学机电工程学院，山东济南２５０１０１；２．中国重汽集团有限公司，山东济南２５０００１；３．济南大　学机械工程学院，山东济南２５００２２）　

摘要：当液态ＬＰＧ以５ＭＰａ高压直接喷入气缸时，将发生剧烈地闪急沸腾现象，这对于改善壁面引导式燃烧系　统的缸内直喷发动机的燃料附壁现象、降低ＨＣ排放具有非常积极的作用。在验证了采用的计算方法可行性　的基础上，就提出的中心喷射的壁面引导式燃烧室结构，数值解析了电控ＬＰＧ缸内直喷发动机在不同负荷工况　

时混合气的形成过程。结果表明：部分负荷时采用压缩过程中后期喷射，１５。ＢＴＤＣ时缸内可形成理想的分层构　造；大负荷时采用进气中期１３０。ＡＴＤＣ喷射，在压缩冲程末期可形成均质功率混合气。　关键词：液态ＬＰＧ；直喷；壁面引导　中图分类号：ＴＫ４３２　文献标识码：Ａ　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＬＰＧ　ｆｏｒ　ａ　ｃｅｎｔｅｒ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ＤＩＳＩ　ｅｎｇｉｎｅ　

ＳＵＮ　Ｄｅ．ｚｈｉ　，ＬＩＵ　Ｓｈｅｎｇ—ｑｉａｎｇ　，ＬＩＵ　Ｌｕ—ｎｉｎｇ　，ｅｔ　ａ１．　

（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｊｉａｎｚｈｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ　２５０１０１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈｉｎａ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｈｅａｖｙ　Ｄｕｔｙ　Ｔｒｕｃｋ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｊｉｎａｎ　２５０００１，Ｃｈｉｎａ；３．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｊｉｎａｎ，Ｊｉｎａｎ　２５００２２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｈｉｌｅ　ｌｉｑｕｉｄ　ｐｈａｓｅ　ＬＰＧ’Ｓ（１ｉｑｕｅｆｉｅｄ　ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　ｇａｓ）ｉｓ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ｉｎｊｅｃｔｅｄ　ｉｎｔｏ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｂｙ　ａ　

ｈｉｇｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ（５　ＭＰａ），ｔｈｅ　ｏｃｃｕ￣ｅｎｃｅ　ｏｆ　ｆｌａｓｈ　ｂｏｉｌｉｎｇ　ｉｓ　ｂｅｉｎｇ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｐｌａｙ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｉｎ　

ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｗａｌｌ　ｗｅｔｔｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ａｎｄ　ＨＣ　ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ　ａｔ　ａ　ｗａｌｌ　ｇｕｉｄｅｄ　ＤＩＳＩ（ｄｉｒｅｃｔ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｓｐａｒｋ　

ｉｇｎｉｔｉｏｎ）ｅｎｇｉｎｅ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｎ　ｍｏｄｅｌｓ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ　ｓｉｍｕｌａｔｅｓ　ｔｈｅ　

ｍｉｘｔｕｒｅ　ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ａ　ｃｅｎｔｅｒ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｗａｌｌ　ｇｕｉｄｅｄ　ＤＩＳＩ　ｅｎｇｉｎｅ　ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ　ｒｅ－　

ｓｕｉｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ＬＰＧ　ｓｐｒａｙ　ｆｏｒｍｓ　ａｎ　ｉｄｅａｌ　ｓｔｒａｔｉｆｉｅｄ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ａｔ　１　５。ＢＴＤＣ　ｗｉｔｈ　ａ　ｐｏｓｔ—ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　

ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｎ　ｐａｒｔ　ｌｏａｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ａｎｄ　ｔｈａｔ　ｉｔ　ｆｏｒｍｓ　ａ　ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ　ｐｏｗｅｒ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ａｔ　ａ　ｈｉｇｈ　ｌｏａｄ　ｗｈｅｎ　ｉｎ—　

ｊｅｃｔｅｄ　ａｔ　１３０。ＡＴＤＣ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌｉｑｕｉｄ　ｐｈａｓｅ　ＬＰＧ；ｄｉｒｅｃｔ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ；ｗａｌｌ　ｇｕｉｄｅｄ　

０　引言　

液化石油气（ＬＰＧ）因具有冷启动好、辛烷值高、　

着火界限宽等特点及其良好的排放性能和经济　性　得到广泛使用，但其动力性不如汽油机和柴油　

机的问题又制约了ＬＰＧ的进一步推广。研究发现，　

使用缸内直接喷射不仅能解决ＬＰＧ动力性不足的　

问题　，而且燃用ＬＰＧ时的平均有效压力、燃料消　

耗率和排放都优于汽油…。据报道，现代汽车正在　

收稿日期：２０１０—０９—０３　基金项目：国家自然科学基金项目（５１０７６０８５）；山东省自然科学基金项目（ＺＲ２００９ＦＭ０３２）；山东省研究生创新计划（ＳＤＹＣ０２１）　作者简介：孙德志（１９８７一），男，山东Ｉ临沂人，在读硕士，主要从事汽车发动机的工作过程研究．Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｕｎｄｅｚｈｉ

３１０＠１６３．ｅｏｍ　５８２　山东建筑大学学报　２０１０年　

开发搭载缸内直喷ＬＰＧ发动机的混合动力汽车　Ｊ。　

但总体来看，目前关于液态ＬＰＧ缸内直喷发动机的　

研究仍偏少，特别是相应的部分负荷缸内分层混合　

气形成机理方面的研究更显不足。　

点燃式缸内直喷发动机的分层混合气形成方式　

主要有壁面引导、喷雾引导和气流引导等方式。目　

前商品化的缸内直喷汽油机中，壁面引导方式的技　

术成熟度相对较高，应用也比较广泛，例如１３本三菱　ＧＤＩ　、德同大众ＦＳＩ＿５ｊ、１３本丰田Ｄ４。。　等都采用　

壁面引导。然而壁面引导主要借助喷束角度、活塞　

形状、气流运动　的相互配合组织分层混合气，若　

配合稍有不当，自气缸一侧喷出的燃油束易在活塞　

顶表面和另一侧汽缸壁形成燃油附着，使ＨＣ排气　

急剧增加。另外，循环波动使缸内形成的滚流不稳　

定，不易实现更稀薄的分层稀燃。而ＬＰＧ具有沸点　

低、饱和蒸汽压高的特点，当液态ＬＰＧ以高压　

（５ＭＰａ以上）直接喷入气缸时，将发生剧烈的闪急　

沸腾现象　，有利于加速燃料的蒸发和与空气的混　

合，是减少在活塞顶表面和另一侧气缸壁形成燃油　

附着的有利条件。　

为此，本文在借鉴缸内直喷汽油机的壁面引导　

燃烧系统基础上，建立了一种ＬＰＧ缸内直接喷射发　

动机的燃烧室结构，应用Ｆｉｒｅ软件使用数值解析的　

方法分别研究了缸内直喷ＬＰＧ发动机采用壁面引　

导时，在部分负荷以及大负荷工况条件下的混合气　

形成策略。　

１数学模型及计算方法　

描述ＬＰＧ喷雾过程的支配方程包括质量守恒　

方程、动量守恒方程、能量守恒方程等基本控制方　

程。湍流模型一ｋ基于ＬＰＧ减压沸腾过程中剧烈地　

气化现象、非定常性和高雷诺数等特点选用了标准　

模型和壁面函数法，使基本方程式得到封闭。　

计算过程中采用的喷雾模型包括了液滴的碰撞　

聚合、蒸发、破碎和碰壁等子模型。这其中的粒子碰　

撞聚合模型、破碎模型、喷雾碰壁模型分别选用　

ＦＩＲＥ　ｖ２００８内已有的、适用于５ＭＰａ以上的喷射压　

力喷出的初始速度较高的ＬＰＧ喷雾的Ｏ—Ｒｏｕｒｋｅ模　

型、ＫＨＲＴ模型、Ｗａｌｌｊｅｔ０模型　。但一般的通用　

ＣＦＤ软件的蒸发方程仅考虑了由热传递引起的蒸　

发，并没有考虑由燃料过热度引起的蒸发，有必要对　蒸发方程进行修正。因此，作者在建立了液态ＬＰＧ　

数据库后，又修正了蒸发方程，使之包含过热度对蒸　

发的影响　引。然后将燃料数据库和修正后的蒸发　

方程编译导入到Ｆｉｒｅ　ｖ２００９，使计算¨　”ｊ能够正确　

反映ＬＰＧ喷雾特性。　

２验证计算方法可行性　

为了验证所建立的计算模型及计算方法的可行　

性，首先根据文献［１２］的实验条件计算了高压喷嘴　

的汽油自由喷雾过程和缸内喷雾过程，并分别与文　

献［１１］进行了比较。　

图１给出了文献［１２］得到汽油高压自由喷雾　

的纹影实验结果和本文计算结果，图中喷射压力为　

５ＭＰａ，喷射背压为１ｂａｒ。为定量比较，图２还给出　

了纹影实验结果和计算结果的贯穿距离。　

ＡＳｏＩ＝０．４ｍｓ　ＡＳＯ１＝０．８ｍｓ　ＡＳＯＩ＝】　２ｍｓ　ＡＳＯｌ＝】．６ｍｓ　

■■■■　

ａ汽油纹影实验结果　

ｂ汽油数值解析结果　

图Ｌ汽油高压自由喷雾的纹影实验结果和计算结果对比　

ｇ　

１疆　

刍　

时　ｔｈｕｓ　

图２汽油高压自由赜雾的贯穿距离　

图３是由在与图１实验相同条件下数值解析得　

到的ＬＰＧ喷雾发展过程。ＬＰＧ喷雾与汽油喷雾系　

在外形结构上呈现相同的趋势，即在低背压条件下，　

油束分布广泛且锥角大，喷雾总体形状为中空锥形　

结构，随时问的推移喷雾不断发展，在油束边缘有两　第６期　孙德志等：液态ＬＰＧ中心喷射发动机混合气形成的研究　５８３　

个相对旋转地涡流结构。而由于ＬＰＧ沸点低、饱和　

蒸汽压高的燃料性质使得其喷雾锥角变大，喷束迅　

速地膨胀，喷雾贯穿距离变短。　

ＡＳｏＩ＝０　４ｍｓ　Ａ．Ｓ０Ｉ　０　８ｍＳ　ＡＳＯＩ＝１　２ｍ３　ＡＳＯＩ＝ｌ　６ｍｓ　

图３　ＬＰＧ数值解析结果　

通过图１和图２中解析结果和实验图像的对　

比，可以看出两者是相当接近的。也由此验证了选　

择的喷雾模型的恰当以及解析方法的可行性，也验　

证了本文提出的计算方法的可行性。　

３　壁面引导式燃烧系统的混合气形成　

过程的解析结果及其比较　

本文的模型参考了各种ＧＤＩ汽油机的壁面引　

导式燃烧系统，综合考虑了ＬＰＧ燃料易扩散、贯穿　

距离变短的特点，建立了屋脊式汽缸盖、活塞顶部凹　

坑偏置、ＬＰＧ高压中心喷射、火花塞排气阀中下方布　

置的壁面引导燃烧系统，如图４所示。由于缸内混　

合气形成过程中排气阀是一直关闭的，因此建立网　

格时仅将进气道、燃烧室和气缸作为研究对象，具体　

的计算域三维网格模型如图５所示。另外，为提高　

计算精度，对移动气阀的局部细小部分进行了网格　

加密处理。活塞位于上止点时的网格数为２８４４３２，　

而活塞位于下止点时的网格数为３２１７７１。　

ａ整体结构　ｂ活塞凹坑局邵放大　图４壁面引导型燃烧室结构示意图　

部分负荷时，ＬＰＧ在压缩过程后期喷射，喷雾在　

大倾角底面在纵向垂直进气道形成进气涡流的作用　

下沿凹坑壁上行、结合沿凹坑壁面形成的卷吸涡可　

促进ＬＰＧ混合气向火花塞电极方向运动，加速燃料　

一空气混合。在缸内形成混合气分层构造，同时进　

气涡流还可以使喷人凹坑的ＬＰＧ喷雾保持相对集　中，有利于形成浓混合气区域。而大负荷工况时采　

用ＬＰＧ的进气过程中期喷射，同样利用进气滚流使　

燃料上卷结合充足的混合时间，实现燃烧室内均质　

混合气。　

图５计算域三维网格模型　

表１实验条件　

参数　技术指标　

缸径×行程／ｍｍ　

压缩比　

气缸容￣，／ｃｃ　

气阀数目　

供给燃压／ＭＰａ　

发动机转速／（ｒ・ｍｉｎ　）　

喷嘴形式　

喷孔直径／ｍｒｎ　

燃料　８０．Ｏ×８６．０　

ｌ０　

４８０　

４　

２Ｏｏ０　

单孔　

０．３　

液态ＬＰＧ　

３．１　部分负荷工况。混合气分层构造的解析结果比较　

图６ａ、ｂ是使用液态ＬＰＧ为燃料采用不同喷油　

提前角时数值解析得到的缸内混合气分布的浓度　

场。计算条件为：转速ｎ＝２０００ｒｐｍ、喷射压力Ｐ　＝　

５ＭＰａ、喷射持续时间２４。ＣＡ、喷孔直径　＝０．３ｍｍ、　

喷射开始时刻分别为０＝６０。ＣＡ　ＢＴＤＣ、９０。ＣＡ　ＢＴ—　

ＤＣ。　图６ａ是ＬＰＧ压缩前期（６０。ＣＡ　ＢＴＤＣ）喷射，在　

３０。ＣＡ　ＢＴＤＣ时喷雾前端最浓的混合气还未被弯曲　

活塞顶导引到火花塞电极位置，而在１５。ＣＡ　ＢＴＤＣ　

时才到达，但此时喷雾还未与空气混合，喷雾中心过