基于CFD和实验研究公交车用柴油发动机改用LPG燃料后进气道设计对缸内气体流动和发动机性能的影响外文翻译资料

英语原文共 15 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

基于CFD和实验研究公交车用柴油发动机改用LPG燃料后进气道设计对缸内气体流动和发动机性能的影响

Mohamed Ali Jemni, Gueorgui Kantchev, Mohamed Salah Abid

关键词：代用燃料，CFD，进气歧管，进气流，湍流模型，实验

摘要

柴油发动机，特别是卡车和公共汽车上所用的，造成了许多经济和生态问题。柴油机所排放的废气是世界上大多数城市大气主要污染源之一。此外，由于原油价格上涨，使得传统柴油机的前景黯淡，而使用代用燃料（LPG液化石油气，CNG压缩天然气）成为主要的解决办法之一。发动机缸内燃烧与缸内气体流动有关，气体的流动直接受进气系统尤其是进气歧管的影响。本文通过数值模拟和实验的方法研究了双进气道柴油机的进气道设计对缸内气体流动的影响。实验所用发动机为Sfax公交车上所搭载的IVECO 13.8L重型柴油机。该发动机改装为双燃料火花点火发动机。1号进气歧管不是特定的形状，2号进气歧管为特定优化几何形状。

本文建立了双进气道数值模拟缸内湍流模型。该模型基于求解N—S和能量方程标准的使用3D CFD代码FloWorks 的k-ε湍流模型。这种模型使得可以直观显示气流在进气系统内的流动细节，以便为优化进气歧管提供依据。实验还进行测量以通过测量重要的发动机参数来验证该歧管的性能。制动功率（BP），制动转矩（BT）和制动热效率（BTE）增加16％，13.9％和12.5％。燃油消耗率（BSFC）为减少28％。模拟和实验结果证实了优化过的进气歧管对发动机性能的提升。

研究背景

现阶段发动机设计的主要目标是实现双重目标，良好的动力性能和低排放。此外，经济和生态研究人员在内燃机领域重新研究低油耗新型发动机，以及已经在使用的那些来寻找实现以上目标的方法。 主要有两个解决方案:首先是将柴油发动机转化为气体燃料发动机，第二是优化燃烧过程。

首先，柴油发动机转换为气体燃料的火花点火（SI）发动机这个过程就已经降低了排放污染。 目前， LPG和压缩天然气（CNG）是气体燃料的热点，目前多用于城市公共交通。 这些替代燃料拥有很多经济上和环保优势（有别于昂贵的石油的物理化学性质，使得发动机减排成为可能）^[1,2]。 研究显示目前采用清洁燃料的发动机如LPG与传统的发动机相比大幅度降低污染物排放。 特别是那些产生大量污染物的老式柴油机公交车在使用气体燃料之后，大幅度降低了污染物的排放^[3,4]。

另外，由于LPG发动机的优异低排放性能，经济又清洁的液化石油气车辆正在快速发展。 在安全方面，尽管LPG有挥发性，但其具有良好的安全记录。 LPG车辆燃油箱比常规燃油箱坚固得多，并且要通过失效和防火测试。 当发动机熄火或输气管损坏，车辆控制系统将关闭输气阀，而这些系统也在不断进步和完善。

LPG广泛应用于小型车辆，但到目前为止很少用于城市公交车，而公交车更多得使用CNG作为燃料。天然气车辆的相关技术与液化石油气汽车非常相似。

生物燃料提供了其他可能的发动机代用燃料，例如沼气和生物柴油，他们具有较高的可用性和巨大的经济价值。 使用生物燃料的主要优点之一是生物燃料使用过程中有相对较低的温室气体的排放。据研究燃烧生物燃料产生中等数量的二氧化碳。尽管如此，生物燃料生产的整个生产使用周期必须提供评估整体温室气体平衡的报告。生物柴油的两个常见来源是植物油或动物脂肪^[6]。沼气可以从垃圾填埋和沼气池中采集，它们都是厌氧分解的副产有机物，其含有50—65％甲烷（CH4）和30—45％二氧化碳（CO2）^[7]。

研究人员已经断言生物燃料对柴油发动机在技术和环境方面的重要性^[8,9]。生物柴油性能足以直接用于柴油发动机。 另一方面，沼气可以用于双燃料如LPG和天然气压缩起火（CI）发动机或火花点火（SI）发动机 ^[10]。

表1 CO₂排放量

为了将柴油发动机改为火花点火发动机，包含进气系统在内的许多系统都要做出一定的优化。因此，一个可靠的进气系统设计方案关系到发动机性能的提高。

另外，缸内燃烧的情况受限于缸内新鲜充量的运动，所以需要通过优化进气歧管来改善缸内充量的运动。

进气歧管的形状直接影响混合气的流动，缸内混合气的数量对发动机动力性能和排放有很大的影响。它直接影响充量系数，热传导和燃烧质量。因此，湍流是发动机燃烧的决定性因素。缸内流动是发生在可变形状的空间内（进气口和活塞顶）非固定且复杂的现象。通常研究进气口的流动形式需要考虑进气道和气缸内整个系统的耦合。该系统气体流动通常通过实验来研究。

目前进行了许多实验包括开发了基于基于粒子图像测速的流体可视化光学方法。它们用于表征通过进气门和气缸内部的混合气（压燃式发动机）和增压混合气（火花点火发动机）的运动^[11—16]。研究显示通过气门的新鲜充量与气缸壁之间相互作用会产生涡流和湍流。一般来说，气体的缸内流动主要分为两类：沿着气缸切线方向运动的涡流和沿着气缸轴线垂线方向旋转的滚流^[17]。研究结果显示在进气冲程产生的涡流和滚流将对压缩冲程中的湍流产生重大影响。这些气体运动可以使得在燃烧过程产生足够的湍流，为充分燃烧提供条件。

现在发展出了数值模拟技术和复杂气体流动模拟技术来研究空气动力学。发动机模拟发动机模型广泛用于研究发动机结构参数对发动机整体性能的影响。随着计算机性能的提高，计算流体动力学（CFD）模型的作用变得越来越重要，发展出了用于各种过程的细节子模型和更精细的网格以及高质量动态网格技术。

大多数研究人员试图通过使用假设条件下的简化的几何模型和优秀的文献来规避数值计算中的困难。 数值模拟通过相关参数的变化和所设定的边界条件使得可以用直观的方式预测结果，而通过实验很难得到这些结果。 在另一方面，数值模拟存在一定缺陷，研究非稳态的流动问题和复杂几何形状时需要耗费大量时间并且对计算机存储量要求很高。现在很多研究内容都涉及到了内燃机的缸内流动，一些作者完全通过一些三维软件建模^[18—23]，甚至在这些软件之间进行比较^[24]。

这些作品中的一些没有实验支持，而其他的则采用了验证实验^[25—27]。近几年随着计算工具技术的进步和发展，使得基于这些工具可以大幅度提高数字模拟的精度。 他们通常用这些成熟的方法特别是一些CFD软件如FLUINT，Start-CD和FloWorks来减轻工作强度^[28,29]。

然而过去大多数对气缸内气体流动研究的工作并没有考虑进气歧管的影响，也没有考虑其对发动机充量系数的影响。而那些研究进气循环的也没有考虑到进气歧管的几何形状对缸内湍流和发动机充量系数的影响。

因此，我们的工作主要是基于CFD软件FloWorks研究IVECO城市公共汽车发动机空气动力学和热场。该发动机已经从柴油发动机改装为火花点火（汽油双燃料）发动机。这项研究围绕着进气系统主要是进气歧管展开，来分析其对发动机性能的影响。 因此提出了两种典型的进气歧管设计方案（图1）。 第一种设计包括多边形基座，进气流道和增压室（图1a）。 第二个是由歧管基座和直接与气缸盖相连的滑道组成，最佳滑道长度是其内声波的共振振动的函数（图1b）。这种现象与声波及其在进气歧管中的传播直接相关。如果能够利用这个特性正确设计进气歧管，可以增加发动机充量系数，从而提高发动机性能^[30]。二号进气歧管的设计基于自然过量过程。从发动机之后的性能表现可知优化后的进气歧管进气道结构优于原始设计。图2为典型的发动机进气结构。

本文首先使用数值模拟的方法指出了湍流空气流体力学的相关理论。 基于这些理论我们可以分析进气歧管结构的合理性，并且得到进气口处空气的相关参数（速度，压力，温度以及湍流特性）。因此，使用FloWorks 将Naviere Stokes方程结合k-ε湍流模型通过应用于发动机气缸研究，其组装有图1中所示的两个进气歧管1a和b。

图一 两种进气歧管外形图

第二个目标是使用实验方分析进气歧管对改装之后的发动机性能的影响。确定进气歧管两种设计方案条件下发动机功率，扭矩，比燃料消耗和热效率。

图二 典型发动机进气系统示意图

数值模拟（CFD仿真）

本研究中，应用了常用的CFD工具FloWorks。FloWorks具有直接导入CAD软件如SolidWorks的三维模型的优点。首先，使用SolidWorks（SW）软件构建两个歧管的3D模型。在FloWorks中导入模型并构建网格，进行最终计算模拟，如表3和4所示，模型可以分析计算各种条件和各种发动机转速的气缸流量^[31]。

2.1 几何研究

本研究的模型是改装为双燃料IVECO柴油发动机，其带有进气道和进气门的示意图如图2所示。如表2所示其主要参数。对于本研究，考虑了两种设计的歧管（图1）来研究缸内流动，以及在缸内发生的涡流和湍流强度。 目的是确认设计的有效性，该设计反映自然进气增压该并适应有利的发动机燃烧过程。

表2 发动机参数表