利用计算流体动力学(CFD)和实验研究公交车柴油发动机改成液化石油气发动机后进气歧管的设计对气缸内气流运动和发动机性能的影响外文翻译资料

 2022-11-06 16:14:53

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利用计算流体动力学(CFD)和实验研究公交车柴油发动机改成液化石油气发动机后进气歧管的设计对气缸内气流运动和发动机性能的影响

作者:Mohamed Ali Jemni, Gueorgui Kantchev, Mohamed Salah Abid

摘要

柴油发动机,特别是针对卡车和公共汽车的柴油机,引起了许多经济和生态问题。柴油机废气排放物是世界上经济发达地区的主要污染源。此外,原油价格继续快速上涨。使用替代燃料(液化石油气LPG和压缩天然气CNG)和优化现有燃烧方式可提供有效的解决方案。改善燃烧与改善进气空气动力学运动有直接关系,这些运动受进气系统特别是进气歧管的影响。在本文中,我们通过计算机数值模拟和实验两种方法研究了两个进气歧管的几何特性对缸内气流流动的影响。这两个歧管安装在作为实验对象的完全仪表化六缸13.8升排量重型IVECO发动机上,该发动机为斯法克斯的城市客车柴油发动机提供动力。该发动机被改装为使用汽油和燃气的双燃料火花点火发动机,第一个进气歧管呈现原始的几何形状,而第二个呈现优化几何形状。

本文对流过两个进气歧管的缸内湍流进行了三维数值模型的建立,本模型基于纳维-斯托克斯能量方程与标准k-ε型湍流模型,使用3D计算流体动力学(CFD)软件Floworks计算, 这种建模让提供流体结构的良好认识成为可能,以便测试合适的进气歧管。同时进行试验来探究该发动机的表现来验证进气歧管的好坏。功率(BP),转矩(BT)和热效率(BTE)使用优化进气歧管分别提高了16%、13.9%和12.5%。燃料消耗量(BSFC)减少了28%。模拟和实验结果证实了优化的进气歧管的几何特性对缸内气流和发动机性能的影响。

关键词:替代燃料;CFD;进气歧管;湍流模型;实验

  1. 绪论

发动机设计师的主要目标是实现双重优化:良好的性能和低排放水平。此外,经济和生态条件迫使内燃机领域的研究人员重新审视新开发的和已经在使用的发动机减少能源消耗的所有可能性。主要有两种解决方案:第一个是将柴油发动机转化为燃气发动机,其次是优化燃烧过程。

首先,为了减少有害物排放,柴油发动机转换为气体燃料火花点火(SI)发动机。燃气发动机对于城市公共汽车运输,市政交通运输以及其他如垃圾收集等非常重要。目前,气体燃料的主要关注点在于液化石油气(LPG)和压缩天然气(CNG),用于城市交通。 这些气体燃料具有经济和环保的优点(价格与汽油无法比较,物理和化学特性的不同使得它们排放污染物降低)[1,2]。世界各地的研究表明,与使用传统燃料的发动机相比,使用液化石油气(LPG)或天然气发动机的发动机排放明显降低。特别是使用气体燃料对减少城市柴油车排放贡献重大[3,4](见表1)。

表一CO2排放(g CO2, e/km)[5]

燃料类型

CO2排放

柴油

1171.32

汽油

1191.78

液化石油气

963.18

压缩天然气

893.9

名词表

C

燃油消耗量(kg/min)

rho; 密度[kg/m3]

Cp

在恒定压力下的比热容[ J/kg-1kg-1

gamma; 比热比

Cv

在恒定体积下的比热容[ J/kg*K]

theta;曲轴转角[_]

F

测功机性能[kW/rpm]

湍流耗散率3

e

比内能[J]

ε湍流耗散率[W/kg]

fmicro;

湍流粘度因子

mu;动态粘度[Pa s]

mu;t湍流粘度[Pa s]

k

湍流动能[J/kg or m2/s2]

tau;ij 粘性剪切应力张量[kgm_1 s_2]

mf

燃料质量流量[kg/s]

缩写

n

发动机转速(rpm)

BP brake power [kW] 功率

L

连杆长[m]

BT brake torque [N m] 扭矩

PB

由浮力引起的动荡[s -2

BSFC brake specific fuel consumption [g/kWh] 比燃油消耗量

p

压力[Pa]

BTE brake thermal efficiency [%] 热效率

Q

低热值[kJ/kg]

BDC bottom dead center 下止点

QH

每单位体积热值[J]

CNG compressed natural gas 压缩天然气

qi

扩散热通量[W/m 2]

CFD computational fluid dynamics 计算流体力学

SI

每单位的质量分布外力

CAD computer associated design 计算机辅助设计

R

曲柄半径杆长度比

IIM initial intake manifold初始进气歧管

r

理想气体常数[J/K-1kg-1

LPG liquefied petroleum gas 液化石油气

T

温度[K]

OIM optimized intake manifold 优化后进气歧管

u

流体速度[m/s]

TDC top dead center 上止点

另外,液化石油气废气排放和性能表现优异,液化石油气车辆正在迅速发展成为一种经济且低污染的汽车。在安全方面,尽管LPG有波动,LPG具有良好的安全记录。且燃油箱比常规燃油箱坚固得多,在碰撞和火灾测试中证明。当发动机关闭或燃油管损坏时,电子阀门关闭,并且这种系统在被不断改进。

液化石油气广泛应用于小型车辆,但到目前为止相对较少的是各种尺寸的公共汽车,与CNG公交车相比,这些车型LPG的使用频率更高。石油气车辆的发动机技术与天然气车辆也非常相似。

生物燃料提供行之有效的替代发动机燃料。沼气和生物柴油具有较高的可利用性和巨大的经济效益。运输部门使用生物燃料而不是化石燃料的主要优点之一是生物燃料减少温室气体排放。生物燃料本身的燃烧可以被认为是二氧化碳中和。 然而,生物燃料生产的整个生命周期必须进行评估,以说明温室气体的总体平衡。 生物柴油的两个最常见的来源是植物油或动物脂肪[6]。生物气可以从垃圾填埋气和沼气中收获,这两种都是有机物厌氧分解的副产物。它们含有50%-65%的甲烷(CH4)和30%-45%的二氧化碳(CO2)[7]

几个研究人员断言在技术和环境方面柴油发动机使用的生物燃料的重要性[8,9]。生物柴油性能足以直接用于柴油发动机。另一方面,沼气像LPG和天然气一样可用于双燃料模式的压燃发动机或火花点火(SI)发动机[10]

要将柴油发动机转换为火花点火发动机,许多系统都会改变,包括进气系统。 因此,该系统的可靠设计直接影响发动机性能。

其次,燃烧与缸内新鲜充量密切相关; 因此,为了改善进气歧管,需要对它进行优化。

进气歧管设计直接影响气体流动表现。缸内新鲜混合气的运动对发动机性能及其污染物排放有很大的影响。它直接控制充气速率,热交换和燃烧质量。因此,非常清楚的是,湍流结构是决定发动机燃烧过程有效性的因素。缸内流动是具有可变几何形状(活塞和进气门运动)的场中的非静止和复杂运动。其研究要求进气阀和气缸之间的联轴器来识别进气门阀区域水平面上的流动结构。在这些区域进行的空气动力学现象经常通过实验进行研究。

进行了许多实验工作,特别是基于粒子图像测速法的流体可视化光学方法的技术开发。它们用于表征空气(压缩点火发动机)和反射混合物(火花点火发动机)通过气门和气缸内部的运动[11-16]。通过进气门的空气流与气缸壁相互作用,产生显着的涡流和湍流。一般来说,气体的位移聚集在两个主要类别中:旋转运动(涡流)和轴向平面(翻转)的旋转运动中[17]。很明显,流动产生的激烈的运动(漩涡和/或翻滚)在进气冲程期间是气缸获得可在压缩冲程期间保持的大的湍流强度的有效工具。因此,这些旋转运动的稳定性使得可以在点火阶段保持很大的湍流;因此为燃烧冲程优化提供了有利条件。

空气动力学现象也用数值模拟和复杂流动模拟进行了研究。 在这个范围内,计算机仿真发动机模型被广泛用于研究每个发动机参数如何影响发动机性能和排放。随着计算机能力的增强,计算流体动力学(CFD)模型的作用越来越重要,为各种情况提供了更细致的网格和更详细的子模型以及高质量的动态网格技术。

大多数研究人员试图通过应用于几何模型的简化假设来规避数值困难,并且通常使用成品体积的方法。数值模拟使得在问题参数和边界条件的显着变化中预测结果成为可能,这些变化在实践中是困难的,有时是不可能的。另一方面,数值方法总是存在问题,与流动非平稳性质和变量相比较几何复杂性,引起长时间的仿真,并需要具有大存储容量的计算机。许多涉及内燃机缸内流动的工程在进行中。 某些作者使用模型,使用三维软件[18-23],甚至在这些软件进行了比较[24]

其中一些模拟没有实验支持,而其他则提供了重要的验证[25-27]。最近,新开发的计算工具保证了精度提高和数字模拟质量。他们通常使用CFD计算机软件,如FLUENT,Start-CD和FloWorks[28,29],使用卷完成方法。

然而,在大多数以前的工作中,关于气缸的内部流量的研究没有考虑到进气歧管的几何形状和它对缸内湍流结构和后续进气的影响。然而,大多数以前的关于近期流量的工作,没有针对进气歧管几何影响及其对湍流和气缸充气的影响。

但是,我们最初的工作只使用CFD软件FloWorks建立了气流场和热值场的模型,原型是IVECO城市公交发动机气缸。该发动机已从其柴油版转换为火花点火(汽油 - 燃气双燃料)版本。该研究对进气系统优化感兴趣,特别是进气歧管,以确保发动机的正确运行。这种歧管有两种可能的设计(图1)。第一个设计包括岐管基座,进气道和气室(图1a)。第二个由歧管基座和与气缸盖直接相关的流道组成,最佳的流道长度其内部声波产生共振振动(图1b)。这个现象直接与声波表现及其在进气歧管中的传播有关。它支持气缸进气和容积发动机输出,如果被适当利用[30]。第二个歧管的建模是基于自然吸气的过度供给过程。两个歧管的流入结构的比较,以及发动机性能与原始的进气歧管相比,优化了歧管的有效性。典型发动机模型的示意图如图2所示。

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