二沖程直噴汽油機混合氣形成的數值解析研究

孫朝棟,許伯彥,張壽榮

(1.山東建筑大學 機電工程學院，山東 濟南 250101；2.山東交通職業學院 泰山分院，山東 泰安271000)

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二沖程直噴汽油機混合氣形成的數值解析研究

孫朝棟1,許伯彥*,張壽榮2

(1.山東建筑大學 機電工程學院，山東 濟南 250101；2.山東交通職業學院 泰山分院，山東 泰安271000)

二沖程汽油機具有升功率高、做功密度大、運轉平穩、結構簡單等優點。文章依據四沖程缸內直噴汽油機結構特點，提出了區別于傳統的曲軸箱掃氣形式的、具有彎曲活塞頂的壁面引導式二沖程直噴汽油機的分層稀薄燃燒系統，利用紋影實驗驗證了數值解析計算方法的可行性，使用AVL Fire軟件數值模擬了壁面引導式二沖程直噴汽油機在不同負荷工況(4800 r/min)時缸內混合氣形成的過程。結果表明：在部分負荷工況時，燃油在壓縮過程中后期噴射，接近點火時刻(25°CA BTDC)火花塞電極附近形成了理想的可燃分層混合氣構造，燃燒室的整體空燃比可達到40:1；在大負荷工況時，燃油在掃氣后期噴射，接近活塞壓縮終了氣缸內可形成均質可燃混合氣，且不造成燃油短路。

二沖程直噴汽油機；壁面引導；混合氣；數值解析

0　引言

當前，汽車的排放標準越來越嚴格，能源緊缺和環境問題也日益嚴重。學者們通過不斷的研究來探索降低燃油消耗和排放的途徑。近10年來，成功應用于四沖程汽油機上的缸內直噴技術明顯的提高了發動機部分負荷工況的經濟性和燃燒效率[1]。缸內直噴發動機(GDI)將燃油直接噴入氣缸，噴油正時控制靈活，即可實現均質當量比和分層稀薄燃燒兩種混合氣形成方式。采用分層稀薄燃燒技術的發動機可以使發動機缸內稀燃的界限擴大至整體空燃比為40:1以上，這與傳統的FPI系統的發動機相比較，可以節省20%～30%的燃油消耗量[2]。目前，實現發動機缸內混合氣分層稀薄燃燒技術主要有兩種方式[3]，(1) 噴霧引導直接將燃油蒸汽噴射傳送至火花塞周圍的區域形成可燃的分層混合氣。宋東先等研究了六孔噴油器中置噴霧引導分層稀薄燃燒的節油效果[4]； Kim等模擬了噴霧引導缸內混合氣形成過程和燃燒的過程[5]；(2) 壁面引導利用特殊活塞形狀并配合缸內氣流運動把燃油傳送至火花塞周圍區域，在火花塞電極附近形成可燃的分層混合氣。日本的三菱、豐田等公司開發的機型均采用壁面引導的燃燒系統[6]。

二沖程汽油機具有結構簡單、運轉平穩、機械損失少、做功密度大、升功率高及便于維修等優點[7]，被廣泛的應用于摩托車、游艇、小型農用機械上。但是傳統二沖程發動機掃氣效率低，且在掃氣過程中易產生燃油短路現象，造成燃油經濟性差和未燃HC排放升高的問題。成功應用于四沖程汽油機的缸內直噴技術為解決二沖程汽油機存在的問題提供了可能的途徑，為此，近年來國際上關于二沖程缸內直噴汽油機的研究報道相繼出現。Markus等使用排量148cc的發動機采用傳統的曲軸箱掃氣方式，火花塞位于氣缸的中心，噴油器偏置，當排氣口接近或完全關閉時燃油開始噴射，以希望獲得缸內盡可能均質的混合氣，研究表明了在3000 rpm、汽油噴射壓力P=4.5 MPa時發動機的燃油耗和排放得到了明顯改善[8]。Beck等使用激光多普勒測速儀調查了兩沖程直噴汽油機的火花塞間隙附近的混合氣流動速度[9]。Nagesh等使用排量25.4 cc的二沖程汽

油機，采用進氣口汽油噴射，研究了分層掃氣給與發動機動力性、排放性能的影響[10]。顧維東等使用排量98cc汽油機，數值模擬了采用直噴技術后缸內的流場，表明了低速低負荷工況時適當地推遲噴油時刻將有利于分層混合氣的形成[11]。李新海等對傳統二沖程發動機模型進行了缸內混合氣形成及燃燒的仿真模擬[12]，但檢索表明文章提出的壁面引導式二沖程缸內直噴汽油機的研究還幾乎未見報道。借鑒四沖程直噴汽油機的成功經驗、結合二沖程汽油機的結構特征，提出了一種區別于傳統的曲軸箱掃氣形式的、具有彎曲活塞頂的壁面引導式二沖程直噴汽油機的分層稀薄燃燒系統。在利用紋影實驗驗證了采用的計算方法可行性的基礎上，使用AVL Fire軟件數值解析了壁面引導式二沖程直噴汽油機在在部分負荷工況時分層混合氣的形成過程。

1　二沖程“壁面引導”燃燒系統

二沖程掃氣方式決定了缸內的氣體流動過程難以控制，不易形成理想的缸內混合氣分層形態。借鑒四沖程發動機結構，在氣缸蓋上僅設計一個進氣閥，由ECU控制自由設定進氣閥開關時刻，并與缸壁上的排氣口掃氣時間相配合，形成直流掃氣。它能夠期待進一步降低低負荷時的缸內殘余廢氣量、獲得更高的掃氣效率。具體為在氣缸蓋上僅設計一個進氣閥及縱向進氣道，采用旋流汽油噴油器，形成的進氣滾流與燃油噴霧角度、彎曲活塞頂相配合，排氣口仍在氣缸下部，在壓縮過程接近終了時在火花塞電極近傍形成易于著火的濃混合氣，而整個燃燒室形成分層混合氣的二沖程“壁面引導”燃燒系統，其原理示意圖如圖1所示。

圖1　壁面引導式二沖程直噴發動機結構示意圖

2　計算模型及模擬方法

2.1計算網格的建立

計算模型的主要參數見表1[13]。根據表1的基本結構參數，利用建模軟件Pro.E建立二沖程發動機的實體模型，再將實體模型導入Fire軟件進行網格劃分，如圖2所示。當發動機運行至壓縮沖程中后期進氣已經結束，氣缸進氣道部分已不再發揮作用，所以為了簡化計算、節省時間，在掃氣沖程與做功、壓縮沖程采用兩套不同的網格，其中，掃氣沖程的網格帶有進氣道，做功沖程及進氣終了后的壓縮沖程的網格不帶進氣道。為提高計算準確度,對進氣門附近網格進行了加密處理。活塞到達上止點時網格數為25768，活塞到達下止點時網格數為365443。

圖2　壁面引導式二沖程直噴發動機計算網格模型 (a)實體模型；(b)活塞位于下止點；(c)活塞位于上止點；(d)網格剖面圖

排量/cc缸徑×行程/mm壓縮比(有效壓縮比)噴射壓力/MPa進氣閥直徑/mm排氣口寬×高/mm進氣閥開/關時刻排氣道開/關時刻31075×7010.1(8)53043×14.5開BBDC50°CA關ABDC75°CA開BBDC63°CA關ABDC63°CA

2.2實驗驗證

為驗證所建模型的可行性和計算方法的正確性，建立了一套紋影可視化裝置，具體為汽缸蓋采用透明材料，在氣缸蓋上安裝一個與排氣口方向相反的內窺鏡拍攝噴霧過程[14]，其規格參數見表2，工作原理如圖3所示。在仿真模擬過程中采用與實驗相同的條件，實驗在轉速為1700 rpm、噴射壓力為5 MPa的條件下進行。得到模擬結果與實驗結果進行對比分析獲得最終的結論通過實驗獲得的圖像與采用Fire軟件模擬得出的結果對比圖如圖4所示。結果表明噴射時刻為65 °CABTDC，在燃油霧化的過程中，模擬結果與實驗所獲得的結果幾乎完全一致，從而證明了求解器及建立模型的可行性。另利用紋影法來觀察汽油的噴霧特性，在試驗中使用三菱GDI發動機用高壓旋流噴嘴，實驗噴霧特性與模擬結果進行對比分析圖如圖5所示，旋流噴嘴實驗結果與模擬結果的噴霧形態及貫穿距相吻合，從而驗證模擬計算方法以及求解過程的正確性。

表2　實驗臺架參數

圖3　二沖程發動機實驗理圖及計算模型圖(a)可視化原理圖；(b)計算模型

圖4　二沖程發動機缸內混合氣實驗結果與模擬結果對比圖 (a)實驗結果圖；(b)模擬結果圖

2.3控制方程的離散化及求解方法

模擬方法應用基于體積控制的有限容積法，在離散化過程中，為求得流場壓力—速度的耦合使用 SIMPLE 法。尺度方程、能量方程和湍流方程選擇一階迎風差分方式，動量方程選用MINMOD 差分方式，連續方程選用中心差分方式。代數方程組由循環迭代計算求解，在求解過程中引入松弛因子控制每個計算循環變量的更新速度以增強計算的穩定性和收斂性[15]。采用的松弛因子有：壓強為0.3、動量為0.5、湍流能量為0.3、湍流消散率為0.4、能量為0.8、質量原相為1、黏性為1、標量為0.8和組分傳輸為0.8。

圖5　噴霧特性實驗結果與模擬結果圖/mm (a)實驗結果圖；(b)模擬結果圖

3　混合氣形成計算結果與分析

3.1部分負荷工況下混合氣形成結果比較分析

在部分負荷工況下分別解析了不同噴射時刻(70、60和50 °CA BTDC)缸內混合氣的分布情況，

如圖6所示。計算條件為轉速4800 rpm、噴射壓力5 MPa、噴射持續時間10 °CA、噴孔直徑0.5 mm。

圖6(a)表明在70 °CA BTDC時刻噴油時，從氣缸一側噴入缸內的噴霧在活塞頂曲面和缸內氣流的引導下達了火花塞電極附近，點火時刻(25 °CA BTDC)在火花塞電極附近實現了發動機缸內分層混合氣的構造，但是較濃混合氣緊貼屋脊型燃燒室頂部，這使得相對冷態的汽缸壁對火焰產生的熱與活化基物物質起著吸收的作用，火焰在汽缸壁表面產生激冷與淬熄現象，導致HC排放量增加，則該時刻噴油過早。圖6(b)表明在噴油時刻60 °CA BTDC噴油時，噴霧在活塞頂曲面和缸內氣流的引導下到達火花塞電極附近，點火時刻火花塞附近的混合氣較濃，且較濃區域距燃燒室頂壁面有一定距離，這樣盡可能減少了HC的排放量。較濃區域的混合氣達到了理論空燃比，而整個燃燒室內的空燃比可以達到40:1，實現了較好的分層混合氣構造。圖6(c) 表明在噴油時刻50 °CA BTDC噴油時，噴霧雖然被活塞頂曲面和缸內氣流的引導，但是由于噴油時刻較晚，沒有足夠的時間將燃油引導到火花塞附近并形成可燃的分層混合氣，大部分燃油附著在活塞頂曲面上。綜上所述，部分負荷工況時，應選擇在60 °CA BTDC時刻噴油，可以在點火時刻火花塞電極附近形成可燃的分層混合氣。

圖6　不同負荷工況的分層混合氣解析結果圖(a) 噴油時刻為70 °CA BTDC時，缸內混合氣形成過程；(b) 噴油時刻為60 °CA BTDC時，缸內混合氣形成過程；(c) 噴油時刻為50°CA BTDC時，缸內混合氣形成過程

3.2大負荷工況下混合氣形成結果比較分析

發動機在大負荷工況下工作時，缸內要形成均質混合氣以提供足夠的動力。由于二沖程發動機一個循環兩個沖程做一次功的特點，從燃油噴射到形成混合氣的時間非常短，為得到均質混合氣要盡可能早的噴油。但過早的噴油會導致燃油隨廢氣從排氣道排出形成短路，造成燃油的浪費和空氣的污染，所以必須要嚴格控制噴油時刻，既不能過早噴射導致燃油從排氣道中排出，又不能噴油過晚而不能形成均質的混合氣導致發動機缸內燃燒不均勻甚至熄火。為此，解析了轉速4800 rpm、噴射持續時間22 °CA、噴孔直徑Φ=0.5 mm條件下不同噴射時刻(15、25 °CA ABDC)的混合氣形成的結果如圖7(a)、(b)所示。

如圖7(a)所示，燃油在15 °CA ABDC時刻噴射，雖然在點火時刻(25 °CA BTDC)形成了均質混合氣，但在排氣道內可以明顯看到有燃油排出，說明此時刻噴油過早，燃油易于隨廢氣排出形成短路，造成燃油浪費；圖7(b)表明，燃油在25°CA ABDC時刻噴射，在點火時刻形成了均質的可燃混合氣且燃料沒有從排氣道排出。二沖程發動機噴油時刻的原則是在燃油不隨廢氣排出的前提下越早噴射越好，在25°CA ABDC噴射時燃油已不隨氣流排出，所以也不必再對25 °CA ABDC后的噴射時刻進行模擬。

圖7　大負荷工況的混合氣解析結果圖(a)噴射時刻為15 °CA ABDC時，缸內混合氣形成過程；(b)噴射時刻為25 °CA ABDC時，缸內混合氣形成過程

4　結論

通過上述研究可知：

(1) 提出了一種區別于傳統的曲軸箱掃氣形式的、具有縱向進氣道和彎曲活塞頂的壁面引導式二沖程直噴汽油機的分層稀薄燃燒系統,利用驗證過的數學模型對壁面引導二沖程直噴汽油機的混合氣形成過程進行了分析。

(2) 部分負荷工況時，采用旋流噴油器、進行60～70 °CA BTDC汽油噴射，并接近點火時刻時，在火花塞電極附近形成了理想的分層混合氣，而整個燃燒室的空燃比可達到40:1。

(3) 大負荷工況時，在25 °CA ABDC左右噴油較為合適，此時刻噴油可以形成均質的可燃混合氣，且燃油不會因燃油“短路”現象直接排除造成未燃HC化合物的排放，避免了燃油的浪費和大氣污染。

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(學科責編：吳芹)

Numerical simulation of stratified mixture formation for two-stroke engine direct injection gasoline

Sun Chaodong1, Xu Boyan，Zhang Shourong2

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China; 2. Taishan Campus, Shandong Transport Vocational College, Taian 271000, China)

Two-stroke gasoline engine has the advantages of high power density, rising power, stable operation, simple structure etc. According to the structure characteristics of the direct injection four stroke engines, the paper put forward a wall guided combustion system used in two-stroke engine which is different from traditional forms of crankcase scavenging structure. By using the schlieren experiment the feasibility of the numerical analytical method is verified. With the validation of the feasibility about calculation method in using the schlieren experiment. Stratified mixture formation in part load condition(4800r/min) for the new combustion system was numerically simulated. Simulation results show that gasoline spray forms a stable richer stratified mixture around the spark plug at the middle and later post-compression process injected in part load conditions, and the maximum global air-fuel ratio reaches 40, and the fuel wouldn’t get out of cylinder and could form a homogeneous mixture at scavenging schedule later injected in full load conditions.

two-stroke DI engine; wall guided combustion system; mixture formation; numerical simulation

2015-10-22

國家自然科學基金項目(51376113)

孫朝棟(1990-)，男，在讀碩士，主要從事內燃機缸內混合氣形成過程的數值模擬等方面的研究. E-mail:sunchaodong2008@163.com

*：許伯彥(1953-),男，教授，博士，主要從事內燃機燃燒與排放控制等方面的研究.E-mail:xubyyy@163.com

1673-7644(2016)02-0153-06

TK411

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