二沖程汽油機外特性改良方法仿真

楊 琦，楊海青

(南京航空航天大學能源與動力學院，南京 210016)

二沖程發動機存在著自身難以克服的缺點，如掃氣效率低、短路損失大、燃油消耗率高、有較明顯的燒機油現象、機油消耗量大且潤滑效果差、HC和NOx等有害物質的排放嚴重、工作噪聲大等［1］。但是，二沖程汽油機同時有四沖程不可比擬的優勢和特點:升功率高、結構簡單、成本低廉、工作可靠性高、安裝體積小等。這些優點在汽車和摩托車發動機領域、航空活塞發動機以及其他各種小型機械的動力裝置領域都有著巨大的實際應用價值［2］。

目前，對于二沖程發動機的改良和優化主要集中于2個方面:一是著眼于二沖程發動機缸內直噴技術的研究，但是目前依舊存在很多難題;另一個方向是針對現有的二沖程發動機進、排氣系統的改進，通過對進、排氣系統以及關鍵節流部件的設計改進，增加循環進氣量，改善進氣特性，進而改善發動機的性能特性。第2個方向的研究已經有較多的成果，各種相關的措施和方法已經被廣泛應用，尤其在針對不同工況的樣機改良等方面，具有更為實際的意義［3］。

同一款發動機，針對不同的用途，有不同的工況范圍。有些工況需要發動機長時間維持高轉速，有些則對發動機的最高轉速有所限制。如何讓同一款發動機適應不同工況和用途的需要，并發揮發動機的最大性能，是本文所要討論的重點。

本文針對某二沖程簧片閥進氣的汽油發動機，通過試驗論證和仿真預測，尋找可以改變發動機輸出特性的方式，并加以驗證。主要研究對象包括簧片閥、掃氣相位、排氣相位、進氣系統、排氣系統等。針對發動機進、排氣系統，對發動機在某一特定工況下的優化和匹配進行實例研究，并且為隨后的二沖程發動機缸內直噴系統的研究進行工程準備和方法積累，總結相關的仿真以及改良的經驗。

1 計算機模擬和主要研究對象介紹

1.1 一維發動機仿真軟件介紹

本文的所有仿真計算使用的都是由美國的Gamma Technologies公司開發的GT-Power軟件。作為一維算法，GT-Power設定所有流體為均勻的，并使用流體連續方程推導出管內一維非定常流動的基本方程，主要的參變量為質量流量、密度、內能總和［8－10］。

圖1為二沖程發動機換氣系統氣流通道計算模型簡圖，發動機的氣流通道為“大氣→節氣門→掃氣道→簧片閥→曲軸箱→掃氣道→掃氣口→氣缸→排氣口→排氣道→大氣”。

圖1 二沖程發動機換氣系統氣流通道計算模型簡圖

GT-Power軟件將整個發動機的流動分為以下幾個類別:管道的工質流動、節流口的工質流動、接口的工質流動、簧片閥的工質流動以及燃燒室內部的流動［11－12］。根據能量守恒定律、質量守恒定律和理想氣體狀態方程［6，8，10］，可以計算發動機各個部分的工質狀態和參數變化。對于燃燒過程，由于不同的著火方式會給燃燒過程造成極大的不同，GT-Power設置了不同的模塊來進行模擬，而原理都是利用缸壓來預測放熱率。對于發動機的摩擦損失壓力，GT-Power有專門的經驗公式模塊進行模擬，其中還包括驅動附件的損失壓力［11－12］。

通過仿真模型可以更好地預測發動機的性能，在短時間內進行廣泛的變參數研究，為開發新型發動機和提高原有發動機性能提供指導［1，4］。此外，還能提供目前試驗研究所不能提供的信息量，而且花費小、周期短［2，5］。

1.2 一維發動機仿真模型

表1為發動機主要參數。在發動機數值仿真理論以及相應的建模步驟的基礎上［7，13］，利用GTPower軟件對原型機進行整機建模。發動機模型仿真原理如圖2所示。發動機工作時工質按圖中箭頭所示方向完成工作循環。其結構可以分為缸體、進氣系統和排氣系統3個大部分，每個部分中又包括諸多模塊，每個模塊都可以模擬一個發動機部件。仿真模型截圖如圖3所示。

表1 發動機具體參數

模型中主要的部件包括簧片閥、進排氣系統、燃燒模型、燃燒室以及大氣參數等，這些參數大多通過原型機手冊確定，另外一些則通過對原型機的實際測量確定。其中存在一定的誤差，誤差的具體來源以及不確定參數如下:

1)對空濾器、化油器部件的仿真缺陷。使用直管模型代替空濾器，使用變直徑的管道和噴嘴來代替化油器。

2)缺少曲軸箱壓力示功圖。由于實驗條件所限，并未對曲軸箱壓縮比和曲軸箱壓力變化曲線進行實測，曲軸箱壓縮比數據使用經驗值。

3)進、排氣系統結構參數。與排氣道相類似，應用的是最初模型的估計值、網上資料中的數值和粗略的人工測繪。

4)傳熱過程。本文選取的是簡化的傳熱模型。由于在本模型中傳熱狀態并不需要重點關注，所以在整個進、排氣過程中，工質與氣道壁面的傳熱也是經過簡化或者忽略的。

圖2 發動機模型仿真原理

圖3 發動機一維性能仿真模型

2 優化目標和方法介紹

原型機外特性上的最大輸出功率點的轉速為6 300 r/min。根據實際需要，最高轉速一般不會超過5 500 r/min，這造成了最大輸出功率的浪費。基于以上分析，設立3個優化目標:最大輸出功率點的轉速在5 500 r/min;提高發動機5 500 r/min轉速下最大輸出功率;減輕發動機的自重，提高功重比。

主要的優化措施:

1)改變簧片閥的閥片材料和開啟特性;

2)優化控制進、排氣壓力波;

3)調整進、排氣正時，優化缸內掃氣過。

將仿真得到的外特性數據與臺架試驗的實測數據對比，驗證模型的準確性。由于原型機的參數資料以及試驗數據所限，要求最大誤差不超過10%。本文使用平均有效功率和油耗率作為對比參數。圖4、5為發動機外特性數據對比，實測值與仿真結果基本吻合。由于本文所關注的對象主要是外特性大負荷條件下，所以對在部分符合下的模型的準確性不做過多討論。

圖4 發動機仿真功率與實際功率對比

圖5 發動機仿真油耗與實際油耗對比

通過計算結果與試驗結果的對比，證明模型具有一定的真實性，可以用作之后的優化設計。

3 性能優化和改進

3.1 優化方法及原理

通過進行仿真計算可以有效地減少參數優化過程中的工作量。使用變量替換來確定各個參數對于實際發動機性能的具體影響，用以指導原型機的改良設計［13］。考慮到簧片閥進氣系統的進氣過程以及動排管效應對于發動機性能的影響因素，主要從進、排氣系統等方面進行改進。

3.2 針對簧片閥的優化

觀察在最大油門開度下、不同轉速時的簧片閥升程參數。從圖6可以看到，在整個外特性范圍內簧片閥的最大開度始終沒有超過6 mm，而簧片閥結構參數中的最大開度為11 mm，說明閥片材料的剛度過大，其開啟所需的壓差太高。同時進氣管內的壓力波動也造成簧片閥開啟壓力不足、開啟遲緩。

圖6 最大油門開度、不同轉速時的簧片閥升程參數

由于簧片閥開啟過程受阻，導致進氣量減少、進氣阻力大、進氣充量小，使低轉速小負荷時進氣不暢，高速大負荷處進氣阻力過大，影響輸出功率。因此，考慮通過改良閥片材料特性和合理調整進氣管內壓力波的方法，對閥片開啟過程進行優化。

降低閥片材料的彈性模量和密度［14］。經過仿真計算，新閥片的開啟壓差與運動慣性力同時減小。可在低速時減小進氣氣阻，高速時提高響應頻率，減少進氣反噴，進而有效提高發動機的整體性能。圖7、8所示為發動機進氣量以及輸出功率的對比。

圖7 最大氣門開度下的發動機進氣量對比

圖8 由碳纖維作為閥片材料后發動機的輸出功率

3.3 針對進氣管結構的優化

“慣性效應”是指進氣管內的壓力波對其本循環產生的直接影響。“波動效應”是指前一個過程殘余的壓力波對后一個循環所造成的影響。由于“慣性效應”和“波動效應”，存在一個針對某一轉速的最優的進氣管長度，可以達到最佳的充量系數［15］。

取消原始模型中的濾清器，統一節氣門前后管道的直徑。當進氣管長度取170 mm時，發動機的輸出扭矩最高。圖9為發動機在5 500 r/min轉速下的輸出扭矩隨進氣歧管長度變化。但是在氣門全開的情況下，進氣系統中的壓力波運動會被削弱，因此改變進氣歧管的結構對大負荷工況下的最終性能的優化結果并不明顯。

改良后的進氣系統的尺寸明顯減小、質量減小，進而可以提高功重比，減小裝配空間。

3.4 調整掃氣道和排氣道的開閉相位

不同的進、排氣相位，可以使發動機在某一轉速有一個最佳的充量系數。較遲的排氣道開啟相位可以增加已燃燒氣體的做功時間，有助于提高低速性能，同時會減少掃氣過程的持續相位，影響發動機高速特性;而較早的掃氣道開啟相位可以增加高速工況下的掃氣時間，但是過早的掃氣道開啟時間會使掃氣道口產生氣體反噴，影響低速時的進氣量。較高的進、排氣氣道位置以及較大的進排氣相位差有利于高速段的性能提高，而較低的掃、排氣道位置和較大的進排氣相位差有利于低速段的性能提高。過大的掃、排氣道相位差會使得掃氣道口位置過低，減少了有效的掃氣道開啟時間。較小的掃、排氣道開啟相位差又會產生廢氣反噴。

圖9 5 500 r/min大負荷時不同進氣管管長對扭矩的影響

在模型中設置不同的掃、排氣道相位，發動機的外特性扭矩仿真結果如圖10所示。隨著轉速增加，4 000 r/min以下的輸出扭矩隨著掃氣道開啟相位的增加先減小再增大;4 500 r/min以上的轉速段的輸出扭矩則是先增大再減小。在126°時，5 500 r/min處的輸出性能達到最優。而隨著排氣道開啟相位的增加，發動機的最優輸出轉速不斷降低，在92°時，發動機在5 500 r/min處的輸出性能達到最優。

依據圖10所示的仿真結果，選擇掃氣道口開啟相位為126°，排氣道口開啟相位為92°。將改良后的仿真結果與原型機進行對比，進氣量、輸出功率、油耗率等數據的結果如表2所示。對比顯示，單獨優化氣道相位可以提升對額定工況點的輸出功率10%以上，減少油耗率9%以上，優化效果顯著。

圖10 不同掃、排氣道開啟相位下的發動機外特性輸出扭矩

表2 優化氣道相位前后的發動機輸出性能對比

3.5 對排氣系統結構的調整

二沖程發動機排氣能量大，在排氣管中存在著強烈的壓力波動和迭加。根據二沖程發動機換氣過程的特點，理想的排氣波形是在排氣口打開后很快可以形成長時間的負壓區;而在排氣階段后期，掃氣口關閉之后、排氣口關閉之前，在排氣口處形成正壓力區［15］，如圖11所示。

圖11 理想的排氣口波形

合適的排氣系統結構可以在排氣管內產生合適的壓力波動，起到提高發動機的掃氣效率、增加發動機燃燒室壓力的作用;而不合適的排氣系統會產生不合適的排氣壓力波，會使發動機排氣阻力增加、掃氣效率下降，甚至出現廢氣反噴等狀態。

圖12 不同的排氣錐管長度下發動機的輸出扭矩數據

原型機的排氣系統主要由排氣歧管、排氣椎管、膨脹管等組成，分別調整這3個主要部件的長度，就可以控制壓力波的運動。

圖12所示為不同的排氣錐管長度下發動機的輸出性能數據。較長的排氣錐管可以增加低轉速時的扭矩，而較短的排氣錐管則可以提高高速時的扭矩。目標功率輸出轉速為5 500 r/min，因此“450mm”的椎管長度符合要求。

改變排氣歧管的長度，可以分別控制每個氣缸排氣口處的壓力波動狀態。用不同的排氣歧管長度進行仿真計算，得到的發動機輸出性能如圖13所示。較長的排氣歧管可以增加發動機的低速性能，而較短的排氣歧管則對高速工況下的性能有較好的改善。目標功率輸出轉速為5 500 r/min，因此選用100 mm的排氣歧管長度。

圖13 不同的排氣歧管長度下發動機的輸出扭矩數據

綜合對排氣歧管與排氣椎管綜合改進，如圖14所示。在5 500 r/min轉速點，4種結構的輸出扭矩差別不大。考慮到發動機輕量化的要求，選擇90 mm×400 mm或者100 mm×400 mm的排氣系統結構。

圖14 不同的排氣系統結構下發動機的輸出扭矩數據

優化后的發動機功率輸出對比曲線如圖15所示，可提升發動機5 500 r/min轉速點的最大輸出扭矩5%左右。

3.6 多種方法的綜合使用結果

將多種措施綜合使用。包括改良簧片閥;優化進、排氣系統結構;調整進、排氣道口相位等，再次進行仿真計算，結果如圖16所示。

圖15 排氣系統結構優化前后發動機的輸出扭矩數據

圖16 發動機整體優化前后的輸出功率數據對比

改良前后有顯著的變化:發動機在低速工況范圍內(5 500 r/min以下)的功率輸出都得到了顯著提高，在5 500 r/min時的輸出功率提升量達到了14%;改良機的額定功率相比樣機的額定功率提升達到5%，在高轉速下的(6 000 r/min以上)性能明顯下降。以上結果符合改良的預期，滿足發動機實際工況的要求。

4 總結與展望

對于簧片閥進氣的二沖程發動機，通過合理調整發動機的進、排氣系統的結構，可以有效地改變發動機的輸出特性，大幅度優化發動機的額定工況點的位置以及其輸出性能。其中:調整簧片閥特性在整個工況范圍內都可以明顯提升發動機的輸出性能;針對進、排氣道開啟相位以及排氣系統的結構所進行的改良可以大幅度改變發動機的速度特性以及扭矩峰值位置;針對進氣系統，由于在節氣門全開條件下發動機的“慣性效應”和“波動效應”并不明顯，因此對發動機的輸出特性影響不大。

通過合理的改良操作，將樣機的額定工況點從 6 300 r/min、41 kW，成功改良為5 500 r/min、43 kW，大幅度增加了某型發動機的應用范圍，并實現了輸出性能的充分利用。優化后發動機在5 500 r/min下的最高輸出功率提升了14%，相對于樣機額定輸出功率提高了5%。

在未來的工作中，可以對簧片閥部件進行三維建模，使用1D－3D的耦合計算模式，進一步減小誤差，優化進氣系統以及曲軸箱的結構。此外，還可以對燃燒系統進行優化改良，全面提高發動機在各個工況下的輸出性能以及油耗率等技術參數，進一步完善二沖程發動機的優化改良工作。

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