进气歧管设计对LPG重型发动机的空气燃料混合和流量的影响外文翻译资料

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进气歧管设计对LPG重型发动机的空气燃料混合和流量的影响

M. A. Jemni, G. Kantchev, M. S. Ab

摘要：

本文介绍了在由柴油发动机转换而成的LPG火花点火式发动机的进气歧管中制备混合物时，发动机运行的情况。本文采用计算流体动力学( CFD )模型研究了液化石油气(LPG)混合物在进气歧管中的形成过程。本文采用两种歧管形状，以流量和空气均质化的观点来验证设计的合理性。第一个是根据声波填充现象进行设计的，第二个是一个未指定形状设计的。仿真模型是利用三维CFD软件Floworks ,结合标准k-ε湍流设计模型,求解Navier-stokes方程和能量方程。还进行了实验测试,测试了进气歧管对发动机性能的影响。确定了空燃比和特定燃料消耗量。结果表明了第一个歧管对发动机性能的提高是好于第二个歧管的。

关键词：空气-液化石油气混合物；进气歧管；CFD ；实验。

1.介绍

在减少车辆污染物排放问题上，相关法律要求越来越严格。所以我们必须更好地了解内燃机（IC）工作时的各项状况，来减少排放污染。在火花点式火发动机（SI）中，最重要的过程之一便是制备空气-燃料混合物^[1]。该混合物通过包含空气滤清器，进气管和进气歧管等复杂的路径循环到达进气口。因此，进气歧管的设计是影响发动机性能的重要因素。进气歧管是决定发动机性能的主要部件之一。 进气歧管通常由通风室，节气门体连接到气室和流道的管道组成的，这取决于发动机气缸的数量^[2]。

为了了解进气歧管内气体的流动特性，大家已经做了许多研究。Zhao^[3]开发了一种仿真模拟工具，这种工具可以预测发动机歧管中气体的不稳定流动特征和发动机进气系统中气体之间的动力学相互作用。Pogorevc^[4]讨论了一种廉价的多点喷射进气系统的设计过程,采用了数值预测和实验相对比的方法,这种方法适用于赛车发动机。他研究了发动机进气区域的流量和压力损失情况。最终他的实验结果验证了数值预测的正确性。Ceviz^[5]研究了采用电子控制燃料喷射器的火花式点火发动机性能特征对进气增压室体积的影响。根据他的测试结果，当发动机转速增加时,必须延长增压时间,以降低发动机转速。苏莱曼等人^[6]研究了200cc四冲程Go-Kart发动机的各种进气歧管设计中空气的流动特性。该研究通过三维模拟的流动完成的，模拟通过实验研究进行验证。从这项研究中，他们发现了随着进气系统几何形状的变化将导致进入燃烧室的空气的质量流量出现最大达20％的差异。

Harrison^[7]研究了线性声学模型，该模型已经被证明可以更好地让人理解内燃机进气系统中声波动力学的性质。该模型已证实了管道共振在进气过程中的作用以及声波在发动机增压和填充过程中的重要性。Lee^[8]开发了一个计算机程序，该程序通过分析进气和排气系统中的流量以及MPI火花点火发动机的气缸燃烧现象来预测发动机的性能特征。然后仿真结果与实验结果进行比较，以确定进气歧管的最佳设计。

进气歧管内流体的运动和空气-燃料混合物的形成非常复杂，很难确定。 现在，而计算流体力学（CFD）模拟为发动机零件设计提供了很大帮助，如节省时间和金钱。现在CFD广泛用于内燃机的设计和建模，特别适用于进气流模拟^[9-14]。通过实验研究了进气道的气动过程，特别是基于粒子图像测速的流体可视化光学方法的发展^[15-17]为发动机零件设计提供了很大帮助。

然而，对进气歧管的空气-燃料混合物性质的分析研究很少，特别是关于重型发动机。在本文中，通过使用CFD软件FloWorks设计两个进气歧管实现了流动和气体耦合的数值模拟。测试发动机是IVECO城市公交车发动机。该发动机已经从其柴油版转变为气体燃料火花点火（汽油 - 二氧化碳）版本。，因为LPG燃料的各种优点^[18]，所以使用其作为替代燃料。因此，采用与标准k-ε湍流模型结合的Navier-Stokes方程来分析提供空气和LPG混合气的气体运动情况，并确定进气歧管的最佳几何形状。另外还进行实验测试，来确定歧管设计对发动机性能的影响，并确定空燃比和燃料消耗比。

2 .发动机歧管研究模型

研究的模型是将柴油发动机转化为双燃料汽油-LPG型IVECO。其主要特征如表1所示。对于本研究，考虑了两种歧管设计（如图1）来研究气体流动状况和气体混合物的形成。要设计最佳进气歧管，应考虑以下参数:1-混合物均匀分布到所有气缸；2-进气道的最小可能阻力；3-混合物尽可能直接供给每个气缸； 4-协助燃油雾化和汽化；5-在分支管之间提供相同的吸气间隔。两种不同的歧管几何形状都是合理的。图1由有限容积的气室直接连接到六个气管。气管的长度根据进气歧管中声波传播的现象来确定。如果设计合理，它可以提高气缸的填充率和发动机的容积效率^[19]。这种歧管在本文中被称为“优化的进气歧管”。第二个进气歧管形状由高容量集气室联接到气缸的流道组成。

3 .计算方法

进气歧管的作用是为发动机提供新鲜空气或混合物。气室和流道中的气体循环通常是十分多变的湍流结构。空气和燃料之间的混合最终结果是产生不稳定的混合物（过浓或过稀的混合物）。 到目前为止，本研究旨在使用CFD软件对两个歧管中的流动混合物进行三维数值模拟分析。FloWork为本文对于气体和液体流场耦合分析的软件。

3.1歧管的3D几何模型

在本文中，采用了常用的CFD工具FloWork。FloWork具有从CAD软件(如SolidWorks)中直接导入几何特征的优点。首先,利用CAD软件建立了进气歧管的三维几何结构，如图2所示。将生成的三维模型导入FloWork,构建网格并进行最终仿真计算。

表1. IVECO发动机的特性

3.2控制方程

气体动力学的控制方程是能量守恒定律和热力学定律的表达式。歧管模拟是基于三维不稳定湍流流动模型。在3D歧管模型中，空气-燃料混合物被定义为可压缩流体。使用标准k-ε模型来解决歧管内的流动问题。FloWorks求解了Navier-Stokes方程。下面是流体流动的质量、动量和能量守恒定律与k-ε模型方程的公式：

“rho;”是密度，“u”是速度，“p”是压力，“Si”是每单位质量的质量分布外力，“e”是内部能量，“QH”是每单位体积的吸热和放热，lsquo;tau;_ijrsquo;是粘性剪切应力张量，“q_i”是扩散热通量。混合物密度由^[20]计算：

湍流粘度由下式给出：

该粘度是湍流动能k及其耗散率ε的函数。湍流动能及其耗散率方程为：

“PB”表示由于浮力而产生的湍流，“CB”定义为：当PBgt; 0时CB = 1，否则为0。

Cmu;=9，是标准的常数模型（k，ε）。

3.3歧管模型的边界条件

模拟试验在进气冲程时进行，曲柄转角等于130°。为了简化计算，歧管和气缸壁假定绝热：不与外界传热。设定最大扭矩（n = 1500rpm），进气过程中仅对发动机的第一缸设定转速进行模拟。使用两种流体，空气和丙烷（我们采用几乎完全由丙烷组成的LPG的替代）进气歧管进口压力作为初始条件; 空气入口压力等于1.013bar，丙烷入口为1.5bar。沿着进气行程的活塞速度是最终条件。活塞速度等于3.55 m/s。该值取决于发动机曲柄连杆系统的参数。

3.4计算网格

流动模拟计算网格在计算区域内都是矩形的,因此网格单元的边界是正交的笛卡尔坐标系的指定轴,该坐标轴不适合作为固体和流体的边界面。因此,固体或流体在边界界面都会对近壁面网格单元进行细致处理。所以,我们要采用其他的处理措施,在这些特殊部分的单元格中进行适当处理。矩形的计算域是自动构造的,所以它包含了了四面体,并有边界平面正交到笛卡尔坐标系的指定轴。然后,在以下几个阶段构造计算网格：基本网格的压缩、确定固液界面、细化固液界面网格。

优化的进气歧管网格总数为22632个单元格 (此歧管的一半为网格视图分解为两个对称部分) ,第二个歧管的40684个单元格,请参见图1。

3.5 CFD结果

在进气冲程期间呈现速度场。燃烧室中速度场分布的控制提高了火焰质量并提高了空气-燃料混合物的经济性。图2显示了两个歧管的三维速度分布。气体混合物是通过活塞的向下运动混合的。空气-丙烷混合物在气缸中扩散，与气缸壁相互作用。当气流到达燃烧入口阀时，考虑到阀门限制进气量，使其加速。对于优化的歧管，混合物速度通过阀门时达81m/s，并且减小的速度小于25m/s，这个速度还可以增加。而在第二个歧管中，情况并非如此，最大只能达到70 m/s，而减小的速度却达到了16 m/s以下。这个差异表明歧管几何形状对混合物进气速度有影响。在气体流道内可以看出第二个器歧管的进气过程不连续。它的主要原因是是进气歧管的几何形状中存在几个死区。

(a)优化的进气歧管

(b)第二进气歧管

图1.进气歧管的三维模型

（a）优化的进气歧管

（b）第二进气歧管

图2.速度场

图3中给出了两个歧管的3D丙烷质量分数。考虑到进入口的空气加速度，混合物基本上在歧管入口处弯曲。石油气燃料发动机中的气-气混合过程可分为三个连续区域：歧管入口、歧管流道和缸内。在第一个区域，流量不稳定，可以观察到空气和丙烷分子速度的不相容性。在第二区域，混合物膨胀（流动不稳定性仍然存在于第二歧管中，特别是在气室处）。在第三个区域，混合物的均匀性更加明显。在发动机气缸内部，对于第一个歧管设计，平均丙烷-空气比为0.07，接近等效的丙烷-空气比（0.065）; LPG发动机的化学计量比（SR）为15.5 ^[18]。第二个进气歧管中，比率是一轮0.05。在第一个歧管中燃料的混合比较高;丙烷的含量显示出这种混合。流体轨迹线支持歧管设计构型对气缸中总流量的影响。在非优化的歧管中，这些轨迹线呈现的是阻碍流动和气缸填充的混合运动。当进入气缸内时，优化的歧管中的流体轨迹形成循环涡流运动，这进一步增强了填充和燃烧过程。所以结论是进气歧管几何形状对速度场和空气燃料摩擦的分布有决定性作用。

4.实验验证

为了验证数值模拟工作，图4所示的发动机试验用两个进气歧管几何形状堵塞。这种发动机从原来的柴油版转换成LPG气体燃料发动机。其特征总结在表1中。用两个歧管版本，测量发动机的空燃比和燃料消耗量。这些发动机性能使用LPG气体燃料发动机确定。

发动机安装在试验台上，并与液压测功机制动器“H3 BIS”连接，以测量功率和扭矩。使用质量流量计“Kroohne Optimass MFC 050”测量消耗的燃料量。空气流量由差压流量计测量。发动机转速通过光学转速计“Chauvinistic Arnoux CA 27”进行测量。

空燃比（AFR）如图5所示。如果两个歧管的发动机转速增加，气 - 气比的变化就会剧烈。对于发动机转速为1400rpm时的优化歧管而言，该比例的最高值为15.1，而在600rpm下最低的是11.8，但是在第二歧管的范围是（11,14.8）。值得注意的是，发动机运行浓度很高的混合物，在发动机启动阶段时，两个歧管之间的平均差异等于7.1％。在1400 rpm时，混合物性质几乎接近最佳进气歧管操作的空气LPG化学计量比（LPG发动机为15.5）。这个优点是由于在该歧管中的混合物的均质化优化，这主要原因是设计造成的损失减少。

图5还介绍了两个歧管的特定燃料消耗量（SFC）的变化情况。可以看出，当发动机转速增加时，两个歧管的SFC逐渐减小。优化歧管的燃油消耗小于第二岐管。平均而言，第一个进气歧管操作将所有发动机转速测试的燃油消耗率降低28％。这种减少通过缸内填充和适当的混合均质化来解释，并且其减少了充量损失。

（a）优化的进气歧管

（b）第二进气歧管

图3.丙烷质量分数场

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