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1、二冲程内燃机天然气混合器的开发声明。略概述CNG作为汽油的代用燃料被广泛接受。更重重要的是，当二冲程发动机在全世界广泛应用时，CNG能有效的降低高废气排放。发动机使用CNG要安装密封箱。双燃料系统能在没有太多修改的情况下，切换到另一个系统。它也被应用在四冲程发动机上。这个箱子需要在两冲程的应用中进行修订。在发动机和箱子之间的连接件叫做燃气混合器。它用它的文丘里形状来混合燃气和空气。各种发动机转速下，喉部压力差对为混合器提供燃料抽吸。喉口的优化很重要，因为小喉口会在高速时引起性能下降，大喉口会降低燃料抽吸。更小的喉口尺寸产生更高的流速和更低的压力。低压把燃料抽吸进入混合器。混合器是为二冲程发动机
2、空气流动设计的。计算机辅助设计（CAD）和计算机流体动力学（CFD）软件作为设计工具被使用。设计对进出口角度、喉口圆周处孔数和孔径和喉口尺寸进行设计。设计模型的生产依据从CFD分析得到的混合器尺寸。混合器验证说明了CFD的正确性。试验仪器用来做验证。设备由薄片式流量单元（LFE）、烟度计、数字流体压力计和气体流量计组成。它被用来验证流动模式，混合器的压力降和混合器的空燃比。第一章简介汽车工业的流行趋势一直在改变，特别是在代用燃料的使用方面。关于产生最少排放物的最佳代用燃料的研究已经点燃了许多相关研究人员。Maxwell(1995)声明关于代用燃料的许多研究已经实施，研究人员正在关注天然气、液化
3、石油气、甲醇、乙醇、和氢气。所有的燃料在价格、可用性、环境影响、整车应用、安全和客户接受方面有各自的优势和劣势。当今的燃料价格膨胀和燃油危机，大大的推动许多国家采取措施来降低石油的使用，寻求其他代用燃料。在发展中国家，寻找代用燃料的工作已经开始，并且成为了一个流行。由于天然气储存量是石油的三倍，malaysia大学把关注的重点移向天然气。Nalaysia国家石油公司petronas，已经为天然气车用立项，在这里车用天然气项目特许设施可以在petronas公司安装在kuala lumpur和johor bahru两地交通密集地的服务站中使用。政府对天然气车用项目的支持体现在降低25%车辆道路税，
4、同时在klang valley要求新的出租车使用压缩天然气，通过发动机转化系统。在汽车应用方面，天然气基于其储存方式可以有三种使用形式。最流行的方式是压缩天然气，就是天然气的压缩形式。其他较少使用的获得天然气的方法是液化天然气和absorption天然气。压缩天然气是汽油和柴油很好的代用燃料。用户很容易接受这种形式的代用燃料，由于它的低价格和达到更清洁的发动机排放。CNG排放更清洁的主要原因是由于其基本组成的90%是甲烷，也就是最简单形式的碳氢化合物。尽管这样，当今CNG的应用和石油燃料相比依然在某些方面缺乏竞争性，例如，CNG正常充满发动机产生的功率比汽油少。主要原因是CNG供油系统产生很大
5、的容积效率损失。这是由于在与空气混合气抽进发动机之前必须通过混合器。这使燃烧室中燃油减少，降低容积效率。目前汽油发动机依靠燃油混合设备转换成发动机。.问题陈述目前，在市场上没有专用的混合器，特别是二冲程发动机混合器。所有的转换箱只适用于四冲程发动机。应该为二冲程发动机设计一个合适的混合气。转换选择增压的两冲程发动机。直接使用传统四冲程发动机的混合器是不可行的，因为对于一个小的二冲程发动机的空气需求，它们的尺寸太大。混合器的设计必须考虑到整个发动机工况，为了提供发动机工作性能的全部参数。现存的四冲程发动机混合器通常没有正确的提炼和优化，使空气和燃料混合好。另外，目前的混合器设计也存在问题，因为它
6、设计的简单，只是提供经验值，缺乏遍及发动机转速范围的有效空气流动性能。因此，直接转换无法完成。.目标研究的目标如下：）使用CFD，根据发动机空气需求，为二冲程发动机设计文丘里炉型CNG混合器。2）制造一个优化的CNG混合器原型，并在流量台架试验测试。1.3范围研究的范围如下：1）CNG混合器的初级设计，2）使用CFD工具优化CNG混合器3）制造CNG混合器模型4）测试核实CNG混合器设计1.4研究方法研究中使用的通用研究方法在流程图中指出，如图1.1图1.1 方法过程第二章作品回顾2.1二冲程发动机由于简单的二冲程发动机驱动的车辆的泛滥，许多亚洲城市空气污染加剧。在亚洲，估计有70-100百万
7、二冲程发动机驱动的摩托车，三轮车和机动三轮车,仅以这些为例。在二冲程发动机中，每个循环有一个做功冲程，而四冲程发动机要每两个循环一个做功冲程。因此可以说，二冲程发动机比四冲程发动机产生的功多（bryan，2002）。产生的功率越高，允许二冲程发动机更高的功率重量比和简单的设计。有单缸和多缸二冲程发动机设计，带有机械增压机甚至涡轮增压机。二冲程发动机的基本运转和第一个二冲程发动机没有太大的区别。图2.1描述代涡轮增压系统的二冲程发动机运转情况在图2.1中可以看出，二冲程发动机的进气是在扫气过程的基础上进行的。当进气口打开时进行扫气，压缩空气和燃油进入，取代残余废气。有许多形式的扫气过程应用在二冲
8、程发动机上，在它们之中有横流扫气，回流扫气，或者直流扫气（ferguson，2001）。22CNG作为燃料的二冲程发动机CNG是汽油的一种代用燃料，被全世界广泛接受。随着当今燃油价格膨胀和石油危机的继续，大力推动了许多国家采取措施来降低石油使用，寻求代用燃料。2.2.1CNG作为代用燃料定义，代用燃料是一种从非原油中获得的燃料。原油是石油的基本原料。当今从非原油中的得到的可用带有原料类型有：天然气、液化石油、甲醇、乙醇、氢气和其他（maxwell，1995）。在空气中燃烧燃料的到的能量的多少取决于燃料的类型。在表2.1中看出，一些代用燃料放热值很低。从它们的能量密度判断，乙醇和甲醇必须燃烧更多
9、才能和汽油产生星等的热量。其他的燃料，例如NG、LPG和天然气，和汽油相比也，能量密度也是较低。因此，和汽油相比，它们每公斤会提供更多的能量。汽车在任何一种这些燃料下行驶都会更有效率，由于它们和同等质量的汽油相比产生更多的能量。在这里，发动机设计对发动机提供效率来充分利用从这些燃料中得到的更高能量密度起重要作用。由于燃料的高能量容量和大的可用性，NG被全世界选择用来研究。表2.2说明了全世界NG的分布和可用性。从1993年开始，NG已经被用在超过1百万车辆上，由于消费者受到NG的巨大的利益，这个数量正在增长。它已经被用于家庭和工业部门（加热，热能产品，机械工业）。在生态考虑方面，NG已经被标记
10、为清洁燃料（poulton，1994）。1986年，马来西亚国家燃油燃气公司petronas已经引入NGV项目。从1998到现在，有将近4000辆被叫做enviro 2000的出租车在luala lumpur运行。期望到2004年，马来西亚汽车制造商proton能为马来西亚市场生产大约40000辆NGV（taib iskandar mohamad，2003）。表2.1 代用燃料与汽油和柴油的能量含量对比（Maxwell，1995）表2.2已探明的NG储存量，1991（poulton，1994）马来西亚的NGV工厂的成长和发展很慢，由于缺少加油站和燃气转换箱的OEM的不可用。相反，政府很支持，因
11、为政府免除转换箱的关税和消费税。双燃料车收税金降低25%，单元煤气车的50%税用来鼓励工业。马来西亚目前实行欧2排放法规，并且持续到2010年（jitendra，shah，2001）。NVG汽车的排放在CO2、HC和NOx方面低于欧2限制。另外，NGV汽车每次加满燃料最高行驶170km，使它的性能和汽油车一样。更重要的是，NGV汽车能大大的降低石油价格，由于它比汽油更加便宜（yusoff ali，2003）。不同国家间的CNG构成也不同。CNG的主要成分是甲烷。甲烷占CNG的90%。除了甲烷之外，混合物包括少部分的其他气体，例如乙烷，丙烷、丁烷、戊烷和己烷。它也包括氮气，氦气，二氧化碳和硫化氢
12、。根据马来西亚燃气公司（2003）马来西亚拥有全世界第12大的NG储存量。表2.3中展示了马来西亚NG的平均组成，表2.4中展示了甲烷的性质。表2.3 马来西亚NG平均组成（马来西亚燃气公司，2003）表2.4 methane气体性质（马来西亚燃气公司，2003）2.2.2 CNG燃烧特性燃料能量只能通过燃烧获得。任何的燃料燃烧完全将产生简单的产物。燃料在空气中完全燃烧，这种条件叫做化学计量比环境。当化学计量比空气燃料混合物燃烧，将会产生能量、水蒸气和CO2，然而其他组成物例如氮气和惰性气体将会残余。理论上，燃料完全燃烧不会有很多废气，例如CO、多余燃料长生的HC和和周围空气产生的NO。预先知
13、道燃料在空气中燃烧的化学反应能计算理论空燃比。空燃比的定义是，混合气中空气质量比燃油质量。知道CNG包含90%甲烷（CH4），因此给出CNG化学反应是：CH4+2O2CO2+2H2O (2.1)化学反应方程式说明，1摩尔甲烷和2摩尔O2完全燃烧将会产生能量和1摩尔CO2和2摩尔水。空气是很多气体的组成，其中20.95%是O2，剩下的是N2和其他气体。由于1摩尔空气的质量是28.96g，因此1摩尔氧气储存在138.23g空气中（奔驰，1992）。另外，在方程式2.1中给出1摩尔CNG或者甲烷的质量是（1X12.04+4X1.008）或者16.042g。 知道了每摩尔空气和CNG的质量,理论空然比
14、也就找到,描述如下: (2.2)根据yeah(2002),在正常发动机运转温度下怠速,发动机一直需要相当浓的混和气,这时空然比经常在11:1到13:1范围内.好的混和器能够满足这些需求。空然比变的太小，发动机在9.77：1时不易燃烧。在富油条件下，发动机用更少的空气燃烧燃料，导致HC排放上升，或者在更坏的情况，将会使发动机熄火。2.2.3 CNG燃料二冲程发动机的排放降低发生在二冲程发动机上的主要问题是，它们有高水平的HC、CO和PM排放。表2.5展示了目前二冲程发动机的排放。表2.5中清晰表明，在二冲程发动机中使用CNG能大大地降低排放，和传统汽油机相比。表2.5 典型二冲程发动机排放（br
15、yan，2002）排放物的对比一般都基于国家排放法规的标准。在排放方面所有的车辆应该执行这些法规。表2.6中展示了美国和印度二冲程发动机排放物的指导线。使用CNG的二冲程发动机总体排放物比二冲程发动机排放法规标准低。在法规要求更严格的加利福尼亚，只在HC排放方面有一点点高。加利福尼亚排放标准被认为是全世界最严格的排放法规。表2.6 目前应用在小排量发动机上的排放标准（bryan，2002）*马来西亚执行欧2标准的排放标准2.2.4 关于CNG应用的其他问题除了比汽油机更低的排放外，CNG燃料在其他方面也有优势和劣势。车用CNG燃料的优势包括（rosli，2002）：a120到130范围的高辛烷
16、值，比汽油的93到99辛烷值更高。高辛烷值确保CNG燃料能在高压缩比下运行而不出现敲缸现象引起的发动机损坏。b比汽油更高的可燃性使它适合使用稀燃技术c更安全，由于它更轻、扩散很快，所以它点燃很快，但是只在燃油与空气体积比在5-15%时。d因为它是清洁燃料，它降低了车辆维修费用， 是汽油的一半，更换里程15000-30000km，火花塞更换里程最大120000km。e大量的储备：估计65-70年的NG供应。除了从化石燃料中得到之外，NG也能从农业废料、人类垃圾和塑料袋中获得。f与汽油相等的每升，NG更便宜，在欧洲比汽油便宜14-17%，比柴油便宜12-74%。在马来西亚CNG价格是汽油的一半，如
17、表2.7表2.7 燃料价格注释：1）资源：petronas公司油价（2005）然而，CNG燃料有一些弊端，限制了它获得最优发动机性能的能力，阐述如下：a 由于CNG以气态形式使用，它的密度很低。从混合器中进入气缸的CNG代替8-10%的氧气体积。这降低了氧气含量，因为在燃烧室中更大的空间被CNG代替。b CNG燃烧速度很低，比传统燃料例如汽油和柴油，燃烧速度都低。测试燃烧速度最多有60%的降低。与汽油和柴油相比，延长了总体燃烧持续期。引起发动机输出功率进一步降低5-10%。尽管CNG有劣势，但是优势大于劣势。2.3 CNG混和器CNG混合器基本特性已知，分析混合器的运转状况。混合器的运转就是在
18、一个收缩通道中速度的改变引起压力的变化。反过来影响燃油流量的变化，用所需的比例和主要空气流混合（heywood，1988）。混合器的尺寸以进入发动机的空气流量为主要依据（maxwell，1995）。混和器也会引起空气流的压力降，因为它是一个限制空气流动产生燃油抽取 的设备。对增压流的普通原理进行研究，来解释CNG混合器的压力降。2.3.1目前CNG混合器设计趋势文丘里混合器就像一个化油器来测量进入发动机的燃料量。一个研究表明在研究EGR时，CNG混合器的特性要被考虑。Baert公司（1999）发现，好的混合器的要求如下：1） 为EGR系统的混合器紧凑设计2） 在进气过程中最小流动阻力。这意味着
19、更小压力差。3） 由于文丘里效应得到的压力差，好的抽取压力主要在喉口部分。这使得更多的燃料抽进系统。4）CNG混合器在设计方面也在进步。有许多类型的混合器可用。三种主要的类型定义为：文丘里、风扇、文丘里-炉混合器，如图2.2（rosli，2002）。图2.2 CNG目前市场上使用的混合器类型依据（mardani，2003），文丘里和炉型相连接的混合器设计比其他所有类型混合器性能好。通过测量输出功率发现一个推论，文丘里-炉型混合器在输出功率方面比其他类型混合器更接近汽油机5%。如图2.3。图2.3 不同混合器设计的功率测试结果（mardani，2003）在mardani公司的研究中，通过关注角度
20、引起的压力降获得设计的进气和出气角度。选择产生更低压力降的角度，因为它不限制发动机。除了这些，角度的尺寸也取决于喉口的湍流量和速度。拥有更高湍流和更低速度的角度会产生空气和燃料的同质混合物。在喉口采用带8孔的60度进口角度和30度出口角度的设计，被证明增加了使用CNG发动机的工作性能达到汽油发动机的水平（mardani，2003）。除了角度之外，CNG混合器的孔正常是设计在混合器的喉口处。这被luiz发现（1996），他采用文丘里类型混合器开发了奔驰公司带有稀燃系统的NG发动机M336LAG。燃气从文丘里混合器最窄部分（喉口）的孔加入到空气流中。混合器安装在增压器之后，接近进气阀。空燃比受压力
21、调节器、混合器和发动机管理系统要求的燃气流量阀的特性控制。另一个重要的参数是喉口尺寸。喉口尺寸影响发动机性能。Maxwell（1995）在做GMC（5735cc）发动机试验时观测的。发动机安装在超流量模块SF-800测功机来获取发动机转速、制动转矩、制动马力、水温/进气温度、排气温度和气压。CNG混合器有比一般的电动节气门更低的流量比率。这意味着混和器对气流更大的限制。小、大文丘里混合器最高功率分别降低16.2%和19.7%。他们得出大号文丘里混合器较小号的产生更少的抽取。因此导致发动机更少的供油。因为NG在进气系统中占据很大的比例，使混合器功率损失大约10%。在混合器设计中，被重要考虑的其他
22、参数是喷嘴距离进气口的距离、文丘里管的直径、节气门开度和混合气比率。这些是mikio（1988）在观看了二维CNG混合器中NG和空气混合之后观测到的。Schliren 理论被用来观测燃气混合影响。影响CNG汽车NG和空气混合的参数已经找出。不充分混合对发动机燃烧和排放特性有相反的影响。混合器在发动机进气系统上的位置是另一个关注的参数。位置可以根据多种方法确定。根据lenz（1992），化油器发动机混合器的安装位置在图2.4中展示。它应用在节气门之前。图2.5中说明，在燃油喷射发动机中，混和器一般放在节气门之后。图2.4 化油器的文丘里上部装置图2.5 喷射发动机进气系统中混合器在节气门之后2.
23、3.2 混合器喉口尺寸早期提到，混和器喉口尺寸根据二冲程发动机空气需求量确定。空气需求量由发动机转速（N），发动机排量（Vd）和给气比（Dr）。知道这些，二冲程发动机空气流量比率计算公式为：Qa=Dr （2.3）从公式2.3 ，给气比很重要，因为它描述吸入发动机的空气量（ferguson，2001）。给气比被定义为：给气比，Dr= (2.4)不同的发动机体供不同的给气比。自然吸气式发动机的气流给气比可低至85%，然而，增压发动机则高达150%。Mohamed（1998），指出空气流创造的最大抽取只发生在空气速度在可压缩和不可压缩流体临界时，此时的流速是150m/s。喉口压缩引起速度直线上升，在
24、不忽略流体密度的情况下，喉口的最大速度不能达到150m/s。确保喉口部分150m/s，通过连续方程能找到喉口部位。因此，通过解出混合器喉口的圆形横截面积，能得到混合器喉口的直径。2.3.3 混合器的压力降上面提到了伯努利原理，流体通过文丘里管的速度越快，在这个区域周围压力越低。如图2.6。在喉口速度最高，压力最低。当流体通过文丘里之后，压力不再回到原始压力值。图2.6中展示了由于喉口节流导致的整体压力差。这种情况也发生在CNG混合器，因为混合器的形状和文丘里管相近。图2.6 通过文丘里管时速度和压力原理图在发动机上应用理想的文丘里管是不可能的，因为文丘里管需要很长距离来降低流体的压力损失。为了
25、中和这个化油器在喉口使用锥形的空气通道，提供最小的压力损失，在最窄的点获得最大真空度。低流量分离发生在角度为7-12度的漏斗形扩散段期间，整体的压力降很小。使用漏斗形能降低扩散长度和混和器总体长度（奔驰，1996）。文丘里管的压力降可以通过伯努利方程计算得出，方程如下： （2.5）由于轴向混合器沿着水平轴线，所以重力的影响可以忽略，得到一个更简单的两点间伯努利方程，如公式2.6 （2.6）压力降通过进入混合器的压力减去流出混合器的压力得到。公式表达为： （2.7）由于Hl的存在产生管路损失，损失的计算也需要把它考虑在内。模拟和试验被认为是计算损失和压力降的好方法(奔驰，1996)。发动机为何产
26、生压力降和进气过程中的压力分布，显示在一个更清晰的图片中，如图2.7图2.7 发动机进气冲程压力分布（heywood，1998）P0，T0是大气环境的压力和温度Pair是空气滤清器压力损失是节气门上游上游进气损失是通过节气门损失是通过进气阀损失Heywood（1988），发现大的压力降会引起整个发动机运转的工作性能问题。这是因为文丘里管布置只能在一定流量比率和压力范围内能够燃油。选择小尺寸的混合器喉口将会在高发动机转速下对空气进入进气岐管产生更高的节流。当流量比率升高，文丘里将会开始“喘”。因此，发动机不会获得理想的运转状况通过相应的增加节气门开度。在其他的极限状态，当在文丘里中的空气速度很低
27、时，例如在怠速和启动时，通过文丘里的压力降变小。由于更大的喉口产生太小的压力降，致使在混合器喉口处更少的抽取燃气。这些极端情况涉及到发动机启动、怠速和低速，节气门不充分的抽取作出响应。轻度超尺寸的混合器在道路应用上有优势。这是由于它在更高发动机转速下获得最优性能的原因。在特定的喉口尺寸的混合器中，设备的总体压力降能够得到。当发动机转速增加时，通过文丘里的压力降将会提高。这种情况和限制空气流向发动机的各个部件相似。图2.8说明了在排气歧管中部件的压力降图是如何绘制出来的（heywood，1988）。图2.8 进气歧管和空气滤清器中的压力降Patm是大气压力Pthrottle是节气门之后的压力（h
28、eywood，1988）在混合器中空气流量增加时压力降将会增加,燃料流量也会增加,这是因为在喉口处较低的压力创造了抽吸。这把空然比降低到浓混合器。一般情况，发动机在高转速时需要大量的燃油，当发动机转速提高时，空气燃料混合器趋向变得更浓。混合器产生更多的燃料抽取，能有平稳的发动机运转状态，因为燃料流量不会在高速时阻碍发动机性能。无论如何，太浓的混合气也会导致发动机熄火，因为燃料远远超过了氧气能燃烧的量。由于很早对CNG混合器做了讨论，化学计量比混合器对燃料完全燃烧很重要。鉴于这些原因，混合器应该让空气燃料混合物接近化学计量比范围。2.3.4CNG混合器和发动机转换箱CNG混合器是连接发动机和CN
29、G转化系统的部件。系统本身是由许多在发动机运转时把燃料带到混合器中的部件组成。有许多类型的转换系统能让发动机使用CNG。转换系统能分成3个组，它们是：1. 双燃料发动机，这是由一个点燃式汽油机改装成NG汽车，通过各种部件例如气体混合器/化油器、调节阀、节流阀、控制系统和燃油箱。这种布置保留汽油系统，当CNG加注设备不可用时可以被使用。2. 专门NG发动机，它们是为NG优化的发动机。它们可以有汽油机改装或者为使用CNG专门设计。3. 二元燃料发动机，它们是使用NG和柴油混合物运行的柴油发动机。这里引导燃料（柴油）带着混合气一起喷射，之后燃烧。需要这种喷射方式是因为NG十六烷比率低，适合压燃式发动
30、机。引导燃料首先燃烧来带动燃烧过程。在市场上双燃料转换是一种普遍选择，因为使用者可以在两个燃料之间转换，不用对现有发动机做太大的改动。本研究双燃料转换箱被选择为研究对象，尽管它在市场上已经可以买到。如附录C。2.4 文献回顾综述为二冲程发动机和CNG燃料得到的文献是混合器开发的基本知识。CNG混合器的不同设计说明了文丘里-炉混合器更好，在实际测试中性能也更好。混合器的工作原理是基于从伯努利方程中得到的文丘里原则。它在喉口部位产生低压导致NG吸进发动机。喉口尺寸的计算是通过设定的空气流速和使用连续性方程。压力降引起燃料抽取。因为这个原因，燃料和空气混合特性必须达到某个特性才能使发动机上的混合器正
31、常工作。接近化学计量比的运转环境将使混合器有效工作，通过混合燃料和空气满足发动机燃烧条件，这样可以发生完全燃烧。第三章文丘里-炉混合器设计研究以二冲程发动机CNG混合器开发为基础。执行图3.1中的研究流程。研究的结果帮助研究人员开始混合器的设计过程。图3设计CNG混合器的方法3.1 概念设计设计过程首先开始在概念设计。混合器外形的原始看法用草图记录。草图是在设计条件的基础上开发的。这些预先决定了混合器设计，考虑了在混合器原型中涉及的机械加工工序。设计条件设置如下：1 混合器大小按150cc排量的增压二冲程发动机设计。2 混合器的长度必须是60mm以适应发动机空间分隔。3 必须使用文丘里-炉类型
32、CNG混合器，在喉口的扩散角度是7。4 在进口和出口使用对称角度降低混合器尺寸。5 燃料孔要沿着喉口周围加工，使CNG燃料在空气流中分布均匀6 模型分成几部分而不是一个部件，这样机加工工序更简单。7 考虑轻量化和使用容易装配的材料来制造混合器。因为已经采用了文丘里-炉类型混合器，在混合器形状上有很多想法。这些外形如图3.2,。这些外形是在开发阶段，这个阶段对原始设计一直进行改进。每个造型都被丢弃直到获得一个最后的可接受的设计。第一个概念，在图3.2（a）中展示一个两个进口的混合器，两个进口需要CNG箱管路系统的修订。CNG使用两个管路也给混合器的安装带来了麻烦。外形的复杂也要就搞的机加工费用，
33、由于机加工工序定义为铸造和快速成型。这增加了设计的生产成本。鉴于这些，设计不成熟，需要许多提高。图3.2 概念模型图3.2（b）展示带有正切口的一个CNG进口的混合器概念。这个想法是CNG气流产生漩涡，但是用传统的机加工很难制造。也需要铸造工序。制造这个外形的花费估算很高。设计应该价格划算和易于加工。图3.2（c）是一个概念模型的剖面。模型分成许多部分而不是机加工一个整体的部件。由于不需要复杂的机加工，机加工花费降低。选择切削工艺制造概念模型。这个概念模型也使用了沿着喉口圆周的圆形孔。这些孔使用钻孔工学很容易加工。这个概念不需要铸造工序。最后的概念模型认为是混合器的原始外形。这个设计更易于加工
34、，并且由于它简单的机加工工序而更加便宜。这个概念被进一步提炼直到图3.2中的推荐设计。在CFD中进一步模拟分析继续优化推荐的设计。图3.3混合器的推荐外形3.2混合器设计进程概念设计用来启动混合器设计。列出设计条件在设计过程中得到满足。设计以使用文献中的方程得到混合器喉口初始尺寸作为开始。混合器其他尺寸之后通过CFG模拟和分析最后确定。CFD是简化设计过程的工具。3.2.1 喉口初始尺寸混合器的尺寸是根据已知二冲程发动机的说明书定义的，发动机规格如表3.1。适合这个二冲程发动机的软管的直径是36mm。尺寸经常以混合器外径为目标，这样的混合器能和市场上可买到的软管配合。用于连接的混合器壁厚给定为
35、2mm。所以混合器内径的制造为32mm。表3.1 二冲程发动机规格（Gan，2002）由于内径根据软管尺寸确定，喉口初始尺寸才能根据二冲程发动机空气流动特性计算得出。本发动机使用吹风装置增加了空气流量。由于发动机空气流量通过使用二冲程发动机给气比得到，willard（1997）建议给气比为150%。任意转速下的二冲程发动机空气流量方程给出：Qa= （3.1）已知发动机空气流量，喉口尺寸的初始近似值通过使用连续方程计算的出。使用假定的inviscid和稳流。据第二章所知，喉口尺寸是混合器最小横截面，它使空气流接近可压缩流体的速度。图3.4展示了喉口在混合器中的位置。发动机最大空气流量比率用来确定
36、喉口位置。图3.4 喉口直径位置最大空气流量比率通过方程3.1得到，其中发动机最大转速是8000rpm。在文献中讨论得出的喉口处空气速度为150m/s。因此，通过解不可压缩流体连续性方程得到喉口处面积。A2= （3.2）初始喉口直径D2通过解公式3.2中得到的的圆形面积获得。喉口直径作为设计混合器概念模型开始步骤地参数。3.2.2 混合器CFD仿真CNG混合器设计流程继续获得在概念设计阶段中设置的前期设计条件。需要做仿真来节省时间和设计费用。由于混合器空气流动通过流体力学控制，需要流体运动仿真分析混合器。选择商用CFD包的计算方法计算流体运动,cosmosfloworks 2001(rosli
37、,2004).。在CFD中流体运动通过解Navier-Strokes质量、动量、能量守恒方程确定。三个方程能被写成常数形式，如下： （3.3） (3.4) (3.5)这里u是流体速度是流体密度Si是单位质量的质量分配外力E是单位质量的总体能量QH是单位体积的热含量ik是粘性qi是放热量湍流通常在所有流体流动中产生。通过平均雷诺Navier-Stokes方程能预测湍流。在求平均值的过程中，其他参数比如雷诺数出现在方程中。根据boussinesq的假设，模型中雷诺数定义为： (3.6)t使用两个基本湍流特性定义的，即湍流活动能量k和湍流损耗率。一个常数Cu也从经验中得出，在方程中它的值是0.09。
38、t= (3.7)因此，软件包使用k-模型解决湍流问题。图3.5中展示，CFD分析遵循的一般步骤。图3.5 每个仿真的仿真步骤CAD混合器初始建模之后，CFD分析紧随着网格划分。它通过把模型中得流体分成很多小的体积，它们就是网格，对每个小体积做迭代计算。在设计中CFD软件包把流体体积分成矩形网格（rosli，2003）。当网格划分具体到达到附录F中所示时，混合器模型边界条件输入提供给CFD软件开始计算。精确的边界条件很重要，它决定了仿真的输出。分析CNG混合器需要三个边界条件：1 进口空气2 出口流量3 进口CNG1进口空气第一个边界条件是进口空气。假定空气在仿真开始时是静止的，给出静态进口空气
39、。空气性质展示在表3.2中。压力和温度值来自实验室中的无液体气压计。其他值从任何在给定压力和温度的流体性质表中找到的流体动态空气性质查到。空气性质用作混合器进口第一个输入。表3.2 空气性质2 出口流量当二冲程发动机运转时，空气被吸进进气歧管。这造成了混合器出口的流量。抽吸流量通过公式3.1计算得出。这个流量是混合器第二个边界。边界每隔1000rpm进行计算和分析一次。3 进口CNG第三个边界条件是进口CNG燃料。燃料是在环境压力，因为双燃料系统在环境条件中传递燃料。这个边界让软件计算吸入混合器的燃料量， 通过文丘里管外型和经过混合器的二冲程发动机空气流量。在软件中可用的甲烷性质和文献中找到的
40、数据基本相同。CFD中混合器仿真策略分阶段进行，确定混合器所需尺寸。尺寸符合根据加工需要设定的技术标准。仿真策略如图3.6所示。图3.6 混合器全部仿真阶段3.2.3 混合器进口和出口角度首先，第一阶段的仿真是为了获得混合器进口和出口角度。对于分析，使用公式3.1，当发动机转速8000rpm时，空气流量比率需要达到最大值。当环境压力通道接到进口时，这个气流比率应用在混合器上。混合器中空气最高流速与最高发动机转速同步。角度分析仿真期间，喉口尺寸保持从公式3.2得到的初始尺寸。给喉口7度的扩张角能减低流量分离。保证混合器两端管路安装至少需要5mm的间隙。给出两端最小间隙之后，角度通过三角学计算得出
41、。喉口长度根据与现存可用四冲程发动机混合器的对比预先确定为20mm。角度根据混合器长度为60mm改变。图3.7展示了CFD分析的混合器上进口和出口角度位置。图3.7 进出口角度仿真模型得到混合器总长上流过混合器的压力。需要绘制压力图，看混合器中空气流的总体压力特性。图形能显示各个角度下空气流量压力的影响，引导选择最佳角度。选择正确角度的标准是看压力比。选择压力比的原因是，混和气中进出口压力是不同的。最有效的角度是在每个压力降产生最高抽吸的角度。比率是进口到最大抽吸之间压力差在整个系统压力降上的平均。最高抽吸出现在喉口部分，因为它限制空气流动。因为设计条件需要在喉口开孔，最高抽吸出现在喉口管壁p
42、2。需要沿着墙壁的压力划分来清晰的说明最大抽吸点。在这个位置上钻孔让混合器工作最有效率，因为燃料抽吸最高。已知位置，之后使用软件对表面积分找到这个横截面平均压力。结果减去进口压力Pi得到最大抽去读数。总体压力降也能通过出口压力P3减进口压力Pi得到。比率通过以下公式获得：Pressure ratio= (3.8)压力比率图说明单位压力降能产生更高抽取量的各个角度效率，需要从CFD分析获得。设计使用的角度为最高效率角度。3.2.4 喉口圆周孔的数量得到角度和孔的位置把设计流程带到阶段2。它的目的是找到所设计混合器在喉口圆周孔的数量。CNG进口加进设计中，应用在进口的燃料边界如图3.3所示。进口尺
43、寸要和连接到可用转换箱的软管相符。这个阶段，空气边界要是发动机最低转速1000rpm。这是因为在最低转速，混合器产生最低抽取。在燃料进口的低抽取必须充足以使燃料流动，因为抽取产生在喉口中。燃料和空气混合的外型必须定性，并且需要使用CFD可视化。首先，孔的数量认为偶数个容易加工，因为打孔机可以一次打两个孔。然后，孔的尺寸通过喉口孔的数量确定。带有偶数个孔，覆盖喉口最多空间的孔的数量被选择。这样为了不浪费圆周角度直接的太多材料。考虑这个之后，孔的数量增加了，并对各个数量孔做了仿真。最后确定的孔数在喉口处给出很好的燃料混合。混合器喉口断面图用来显示混合。CFD仿真的颜色等高图确定哪种数量的孔得到更好
44、的孔。3.2.5 喉口圆周孔的尺寸混合器设计流程的第三阶段是改善孔的尺寸在喉口得到好的燃料和空气混合。由于在第二阶段确定了孔数，孔径根据通用的电钻尺寸决定。孔径将会影响模型空燃比。在混合器从1000rpm到8000rpm的整个工况范围内，能看到通过不同孔径确定的空燃比。为了选择合适孔径，空燃比在不同喉口模拟孔径之间分析对比。通过进气口空气质量和燃料进口燃料质量面积分相除获得的空燃比，应该在富油极限9.77和贫油极限17.23范围内。比9.77更低的空燃比将会致使混合器中有太多燃油，发动机有更少氧气完成燃烧。同时，大于17.23的太稀空燃比意味着更少燃料吸进混合器，孔径限制燃料吸入。这会导致发动
45、机没有资格燃烧混合物。得到的空燃比要落在富油9.77和贫油17.23范围内，这样来选择钻孔孔径。3.2.6 喉口直径优化仿真最后阶段，阶段4实施是为了在所有其他参数已经确定后找到正确的喉口尺寸。喉口尺寸的变化是通过给一个很小的变量来缓慢的增加喉口尺寸，观察通过放大方法获得的CFD结果做到的。寻找最佳喉口尺寸的放大方法得到了两个参数。第一个是空燃比，第二个是压力降。喉口尺寸的选择标准是第一个参数空燃比。喉口尺寸由初始尺寸增加到适合尺寸，使空燃比接近理论空燃比限值17.23。这个界限使混合器混合空气和燃油到正确燃烧值。文丘里预计给出常数值的空燃比范围。因为这个，空燃比范围在摸个发动机转速范围内接近
46、理论值需要被考虑。选择能给出接近理论条件空燃比的混合器喉口制造。来自喉口放大的第二个参数是压力降。因为喉口对空气流动有限制，在仿真中预期有压力降。压力降的值可以用来验证仿真结果。两个验证能证明混合器仿真在现实中是精确的。3.2 混合器原型在CFD预测之后，混合器制造成了模型。CAD图纸中优化的混合器信息送去制造模型。目标生产两个模型。第一个混合器由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或者说是有机玻璃。用这种材料能制造透明混合器。需要制造透明混合器来可视化气体流动。第二个混合器目标是全铝制造。选择这种材料是因为它易于加工、重量轻和在市场上容易获得。另外，铝也防腐蚀。因为这些，铝被采用来制造模型。加工模型的制造工艺是车削和打孔，和早期混合器概念设计描述的一样。工艺在两个混合器模型上都应用。3.4 验证混合器设计制造的两个模型用来验证仿真结果。对模型在三种变量中做实验，为了得到可靠的CFD信息和真实的测试。第一个实验使用有机玻璃模型。这个模型用来观看混合器中CNG混合，因为它是透明的。产生了烟气，并且流进CNG进口改变气体运动。第二个是工作中混合器提供的空燃比实验。空燃比说明了由于发动机吸气导致混合器引起的空气和燃气数量。第三个实验是压力测试，能找到总体压力降
