滾流燃燒室對對置活塞二沖程汽油機工作過程的影響*

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滾流燃燒室對對置活塞二沖程汽油機工作過程的影響*

摘要：針對對置活塞二沖程缸內直噴汽油機工作過程的特點，對比平頂活塞組成的燃燒室，設計了對置凹坑活塞組成的滾流燃燒室。采用3維流場仿真軟件Fire建立該發動機仿真模型，對比分析兩種燃燒室結構對掃氣過程和混合氣形成的影響。研究結果表明：所設計的滾流燃燒室通過活塞頂的導流凹坑組織缸內氣體定向流動，形成更強的滾流；在掃氣過程初期加強了渦流運動，促進廢氣掃除，并在壓縮后期產生了“擠流+滾流”的氣流運動，提高缸內平均湍流動能；滾流燃燒室較平頂燃燒室的燃油蒸發率提高10%，缸內混合氣平均燃空當量比在1.05。

關鍵詞：對置活塞二沖程滾流混合氣

引言

對置活塞二沖程發動機由于具有較高熱效率和高功率密度，曾在小型飛行器、船用動力等領域廣泛使用[1]。但隨著排放法規的日益嚴格，使其使用范圍受到限制。近年來，二沖程缸內直噴汽油機通過采用缸內直噴技術和電動機械增壓技術，可避免油氣短路，實現良好的油氣混合品質，因此受到人們的重新重視[2-3]。該類型發動機憑借其振動小、噪聲低和功率密度高等特點，便于小型化和輕量化設計，因此可用于無人機、小型水下艦艇動力或者電動車增程器動力[4-5]。

對置活塞二沖程汽油機采用直流掃氣方式完成工質更替，與四沖程發動機相比沒有獨立的進排氣沖程，因此工質更替時間較短、油氣混合時間較短。而缸內直噴汽油機對缸內流動和油氣混合品質又有很高的要求，所以開展對置活塞二沖程汽油機缸內工作過程的研究非常重要[6]。文獻[7]表明對于對置活塞式發動機，滾流比渦流更有利于改善缸內工作過程。然而，對置活塞二沖程汽油機具有小缸徑、短行程的結構特點，氣口尺寸較小，不利于通過氣口設計進行大尺度的流動組織。文獻[8-9]表明，燃燒室結構影響缸內氣流運動特征，活塞頂幾何形狀對缸內氣體流動具有引導作用。本文通過改進燃燒室結構的途徑來改善對置活塞二沖程缸內直噴汽油機的缸內流動與油氣混合品質，利用仿真手段對比分析了所提出的由對置凹坑活塞組成的滾流燃燒室與平頂燃燒室對缸內流動組織、掃氣過程以及混合氣形成的影響規律，為燃燒室結構進一步優化提供理論基礎。

1燃燒室結構

1.1對置活塞二沖程汽油機

對置活塞二沖程缸內直噴汽油機采用“氣口—氣口”式直流掃氣，進、排氣活塞鏡像布置于氣缸內，為實現非對稱掃氣，通過進、排氣曲軸之間的相位角設計實現排氣活塞相位領先進氣活塞相位15°CA。由于對置活塞式發動機取消了氣缸蓋，不存在活塞上止點，因此定義進排氣活塞相對距離最小的位置為內止點。噴油器和火花塞布置于燃燒室周向，燃燒室由進排氣活塞頂面和氣缸體組成。發動機輸出動力由鏈條匯合并對外輸出，其原理示意圖如圖1所示，結構參數如表1所示。

圖1　對置活塞二沖程汽油機原理結構示意圖

表1　對置活塞二沖程汽油機參數

對置活塞二沖程汽油機的進排氣口分別位于缸套兩端，新鮮空氣經增壓進入氣缸，進排氣口的開關由進排氣活塞控制。進氣口的徑向傾角為10°，如圖2所示。

圖2　對置活塞二沖程汽油機進氣口示意圖

1.2滾流燃燒室設計

對置活塞二沖程汽油機的進氣腔與氣缸垂直布置，氣口分布均勻，難以在缸內產生滾流運動，不利于混合氣的形成，進氣過程如圖3a）所示。為了加強缸內的滾流運動，結合直流掃氣過程的特點，在原本的平頂活塞頂上設計導流凹坑，實現缸內流動的定向組織，如圖3b）所示，從而提高滾流強度。活塞頂結構如圖4所示。通過對凹坑深度和內止點間隙的調整保持壓縮比不變。

圖3　對置活塞二沖程汽油機缸內流動示意圖

圖4　凹坑活塞

2仿真模型的建立

2.1 CFD模型

本文利用AVL-Fire軟件建立了對置活塞二沖程汽油機工作過程CFD仿真模型。分別對進排氣道進行網格劃分，并對進排氣口處進行局部網格細化，見圖5。其中，進氣道網格數110463，排氣道網格數111755，平頂燃燒室的最大網格數為352225，滾流燃燒室的最大網格數為374573。

在計算過程中，湍流模型采用模型；蒸發模型選用Dukowicz模型；破碎模型選用Huh/Gosman模型；油滴間相互作用模型采用Nordin[10]。

圖5　對置活塞二沖程汽油機網格模型

2.2邊界條件

根據實際發動機參數，采用GT-Power軟件對發動機進行了工作過程仿真并標定。放熱率和壁面傳熱分別采用SI Wiebe和Woschni GT模型對其進行模擬。針對標定工況（15kW@6000r/min），通過性能預測得到缸內壓縮初始壓力0.13MPa和氣缸壁面初始溫度445K及活塞頂初始溫度540K，計算邊界條件見表2。

表2　計算邊界條件

2.3掃氣模型校驗

在1200 r/min時，利用Fire軟件對采用平頂燃燒室的發動機模型進行掃氣過程模擬，并將仿真所得的缸壓曲線與倒拖實驗所測相對比，如圖6所示。從圖中可以看出，兩條曲線吻合較好，因此可以采用上述模型模擬發動機掃氣過程。

2.4噴霧模型的標定

圖6　掃氣過程缸內壓力對比

噴霧過程是缸內直噴汽油機的重要工作過程，對混合氣形成和燃燒具有重要的影響[11]。采用Fire軟件搭建定容彈模型模擬了燃油的噴霧過程，并通過定容彈的噴霧試驗對模型進行標定。噴霧試驗所研究的噴油器是原理樣機上采用的6孔高壓噴油器，霧束分布如圖7所示，各噴孔直徑為0.2 mm，噴霧測量的試驗條件如表3所示。

圖7　噴油器霧束空間分布

表3　噴霧試驗條件

圖8為上述試驗條件和計算條件下，噴霧仿真結果與定容彈試驗結果對比。對比顯示，兩者吻合較好，因此選用該噴油器參數及相應噴霧模型可以較好地模擬缸內的混合氣形成過程。

圖8　噴霧試驗與噴霧模擬對比

3仿真結果與分析

3.1缸內氣流運動分析

對置活塞二沖程汽油機采用均質混合氣燃燒模式，要求缸內氣流具有適當的平均氣流運動速度以實現油氣的宏觀混合，同時應具有較高強度的湍流以滿足油氣之間微觀混合[6]。因此，對置活塞二沖程汽油機應合理組織缸內流動。

對于采用帶導流凹坑活塞頂的滾流燃燒室，在進氣口剛打開時，氣口整體流通面積較小，活塞頂凹坑缺口對應的流通面積所占比重較大。因此從凹坑進入氣缸的流動更強，產生了非均勻進氣，加強了缸內的渦流運動，如圖9所示。隨著活塞的下行，氣口流通面積增大，非均勻進氣的流動減弱，而活塞頂對進氣的導流作用增強。

圖9　非均勻進氣示意圖

在流動計算中，采用渦流比SR和滾流比TR衡量進氣過程中缸內渦流和滾流的變化。由于噴油器布置在氣缸中心截面的X軸方向上，所以定義渦流繞Y軸運動，滾流繞Z軸運動。渦流比和滾流比的計算公式為式中：mi為網格微元的質量，ri為微元到轉動中心軸的距離，vi為旋轉線速度，N為發動機轉速。

圖10顯示兩種燃燒室方案的缸內渦流比變化情況。進氣口打開初期，由于氣口徑向傾角的作用，兩方案缸內均產生渦流。滾流燃燒室因為非均勻進氣的原因，缸內渦流強度明顯大于平頂燃燒室，有利于換氣初期的快速掃氣，減少殘余廢氣；隨著活塞的下行，氣口流通面積增大，非均勻進氣的流動減弱，兩者增長速率趨于一致，最大值均在外止點過后；壓縮行程中，由于氣流內部消耗及氣流與壁面的摩擦消耗，渦流比呈減弱趨勢。

圖10　渦流比隨曲軸轉角的變化規律

圖11中顯示了兩種燃燒室方案的缸內滾流比變化情況。換氣初期，兩者滾流比一致，隨著活塞的下行，氣口流通面積增大，活塞速度降低，活塞頂凹坑對進氣的導流作用加強，因此滾流燃燒室的滾流比增長速率大于平頂燃燒室。兩方案均在200°CA取得最大值，隨著氣口流通面積的下降，進氣流動減弱，滾流比下降。在進氣口關閉后，滾流充量被壓縮導致慣性矩減少，流動角動量衰減較少，滾流的角速度增大，因此滾流比出現上升。

圖11　滾流比隨曲軸轉角的變化規律

圖12　點火時刻氣缸縱向截面上的速度分布

圖12顯示了在點火時刻通過噴油器中心線縱截面的缸內氣流運動情況。由于凹坑的存在，平頂部分對氣流產生擠壓，流向凹坑。在凹坑區域，通過擠流和由相位差導致的進、排活塞速度差，在凹坑內靠近排氣活塞側產生了滾流。這種“滾流+擠流”的氣流運動有利于改善燃燒，提高發動機性能[12]。

與氣流運動相對應的是湍流動能的變化，如圖13所示。在曲軸轉角140°CA之前，兩者湍流動能增長趨勢一致；之后，采用滾流燃燒室的缸內平均湍流動能明顯高于平頂燃燒室，在內止點處則高達98%。滾流燃燒室的活塞頂凹坑設計在換氣過程產生了更強的渦流和滾流充量，加強了缸內氣流運動；在壓縮過程中，大尺度的滾流破碎成小尺度的渦導致湍動能升高。相比平頂燃燒室，其高湍動能區域分布范圍更廣，有利于油氣的混合，在壓縮內止點湍動能強度明顯提高，有利于火焰的傳播。

圖13　湍流動能

3.2缸內掃氣過程分析

對于對置活塞二沖程發動機，掃氣過程是新鮮空氣強制將燃燒室內的廢氣排擠出氣缸。圖14顯示了兩方案各自從進氣口打開到排氣口關閉過程中缸內殘余廢氣的情況。

圖14　缸內殘余廢氣云圖

圖14a）顯示了掃氣初期氣缸中心橫截面的殘余廢氣分布，結合圖8分析，由于缸內產生渦流，新鮮充量形成繞氣缸軸線旋轉的“空氣活塞”，將廢氣掃除，滾流燃燒室推擠速度更快，但兩者均在氣缸壁面處存在廢氣“滯留”區域。圖14b）顯示了氣口流通面積最大時刻氣缸中心橫截面的殘余廢氣分布，結合圖10和圖11分析，滾流燃燒室缸內滾流較強，與渦流結合成斜軸渦流，改善了氣缸壁面處的氣流運動，減少廢氣“滯留”[13]。圖14c）顯示了排氣口關閉時刻氣缸水平截面的殘余廢氣分布，從圖中可以看出，平頂燃燒室方案的氣缸壁面處存在廢氣“滯留”區域，而滾流燃燒室基本沒有廢氣殘余在缸內。

3.3混合氣形成分析

缸內氣流運動直接影響到缸內混合氣的形成與分布，理想狀況下要求在點火時刻缸內形成均勻混合氣[14]。圖15表示了從噴油時刻至內止點時刻燃油噴射量與燃油蒸發量隨曲軸轉角的變化。在點火時刻，即340°CA，滾流燃燒室的燃油基本蒸發，達到噴射量的94%，較平頂燃燒室提高10%。

圖15　燃油噴射量和燃油蒸發量曲線

圖16顯示了至內止點時刻缸內混合氣的均勻度，相比平頂燃燒室，滾流燃燒室混合氣均勻度提高了8%。滾流燃燒室由于其對滾流的組織，改善了缸內氣體流動，有利于燃油的破碎、蒸發、霧化，加強噴霧初期缸內燃油和空氣的宏觀混合，并且在壓縮后期較高的湍動能有利于燃油和空氣微觀混合[15]。混合氣均勻度的定義為式中：ψi為該步長下每個網格的當量空燃比數值，ψ為該步長下的缸內平均當量空燃比，Voli為單個網格的體積，ΣVoli為整個氣缸的實時體積。

圖16　缸內混合氣均勻度

圖17顯示了點火時刻兩種燃燒室結構缸內燃空當量比的分布。與平頂燃燒室相比，采用滾流燃燒室，缸內混合氣總體分布均勻，平均當量比為1.05。

圖17　點火時刻混合氣分布

4 結論

1）滾流燃燒室可組織更強的渦流和滾流，有效改善了平頂燃燒室在氣缸壁面流動較差的情況；相比平頂燃燒室，其高湍動能區域分布范圍更廣、更均勻，內止點時刻提高了98%。

2）滾流燃燒室對流動的組織提高了新鮮充量掃除廢氣的速度和均勻性，掃氣結束后缸內沒有廢氣滯留。

3）相比平頂燃燒室，滾流燃燒室在點火時刻燃油蒸發量較平頂活塞燃燒室提高10%且混合氣更均勻，缸內平均空燃比為1.05，可滿足對置活塞二沖程缸內直噴汽油機采用均質混合氣燃燒模式。

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Effect of Tumble Combustion Chamber on Working Process of Opposed-Piston Two-Stroke Gasoline Engine

Wang Hao1，Zhao Zhenfeng1，Wang Bin2，Yu Xia2，Shang Haikun3
1- Fundamental Science on Vehicular Power System Laboratory, School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology（Beijing，100081，China）；2- Technology Research Institute of Shanxi
Diesel Engine Factory；3- Hebei Huabei Diesel Engine Co.，Ltd.

Abstract：Focusing on the working process of opposed-piston two-stroke engine，a tumble combustion chamber that constituted of optimized pistons with a directed pit was designed based on the flat combustion chamber. The difference between the tumble combustion chamber and flat chamber about scavenging process and mixture formation were investigated with AVL Fire software. The results show that tumble combustion chamber has stronger tumble flow with enough scavenging efficiency and better swirl flow is organized in scavenging process. The tumble flow and squish flow are generated in the late of compression process in the tumble combustion chamber, that can improve turbulent kinetic energy. The fuel rate of evaporation increased 10% compared with flat combustion chamber and fuel-air equivalence ratio reached 1.05 in the tumble combustion chamber.

Keywords：Opposed-piston，Two-stroke，Tumble，Mixing

收稿日期：（2015-03-29）

通訊作者：趙振峰（1974-），男，副教授，主要研究方向為發動機總體設計與性能。

文章編號：2095-8234（2015）03-0017-06

文獻標識碼：A

中圖分類號：TK421.8

作者簡介：王豪（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向為汽油機缸內直噴技術。

*基金項目：國家部委級基礎研究項目（B22201100055）。
王豪
1趙振峰
1王斌
2于霞
2商海昆
3（1-北京理工大學車輛動力系統技術重點學科實驗室北京100081 2-山西柴油機廠工藝研究所3-河北華北柴油機有限責任公司）