航空二沖程活塞發動機分層掃氣優化

黃云龍，楊廣文，李 洲

（南京模擬技術研究所，南京 210016）

0 引言

目前，國內外已有多位學者針對二沖程發動機的分層掃氣開展了研究。Gordan[3]在二沖程發動機的設計和仿真中指出采用分層掃氣可以有效減少新鮮充量短路損失，具有降低油耗和燃油消耗率的優點。分層掃氣按掃氣形式可以分為直流掃氣和回流掃氣。根據進氣特點，分層掃氣發動機多采用回流掃氣方式[4]，可以更好的提高進氣效率；Rinaldini 等[5]比較了二沖程航空柴油機回流掃氣與直流掃氣時缸內流場的異同，以及發動機運行條件對2 種掃氣方式的影響；胡春天等[6]建立仿真模型，基于動力性能、經濟性能、掃氣性能進行多目標優化，對掃氣道、排氣道結構參數的不同組合優化分析；Mattarelli[7]、潘鐘鍵[8]、陳林林[9]、顧誦芬[10]、杜發榮等[11]建立了航空二沖程重油發動機機掃氣模型，并研究了發動機轉速、氣口參數等因素對掃氣質量的影響；蔣炎坤等[12]、魏明銳等[13]、朱圣柳[14]、羅光輯等[15]對二沖程分層掃氣發動機進行了試驗與仿真研究，但是由于雙進氣口分層掃氣形式涉及的影響因素繁多，相互之間關系復雜，分層掃氣這種優秀的方案想要成熟運用，還需要做大量的研究工作；英國Blair教授[16]最早提出了雙進氣口的分層掃氣方案用于解決排放及油耗問題。

目前，中國對航空二沖程活塞發動機的分層掃氣研究還處于基礎階段，未見成熟產品運用。本文針對某型航空二沖程活塞分層掃氣發動機，運用3 維計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件Fluent 研究此發動機的掃氣過程，并對比了常規掃氣與分層掃氣短路損失，揭示分層掃氣的缸內流場分布。

1 分層掃氣工作原理

分層掃氣發動機具有2個進氣系統，如圖1所示。在缸體設置純空氣進氣口和混合氣進氣口，一方面，當活塞上行時，曲軸箱產生負壓，純空氣進氣口與活塞導流槽和掃氣道導通，純空氣首先儲存在掃氣道中；另一方面，燃油噴入混合氣通道中與純空氣摻混成混合氣，活塞繼續上升中混合氣進氣口與曲軸箱導通，混合氣進入曲軸箱中。活塞上行壓縮混合氣點火燃燒，到達上止點后膨脹作功下行，下行過程中排氣口首先與缸內導通，部分廢氣排出氣缸外部，活塞繼續下行，掃氣口與缸內導通，儲存在掃氣道的純空氣首先進行掃氣，混合氣緊跟其后在缸內形成分層掃氣，將廢氣從排氣口掃出，該掃氣形式能減小燃油掃氣短路損失，有效降低發動機燃油消耗率。

圖1 分層掃氣二沖程發動機原理

2 仿真過程

2.1 物理模型

本方案發動機采用分層掃氣方式，掃氣道初始結構參考設計經驗，采用回流掃氣，掃氣道仰角85°（如圖2 所示），掃氣道平射角110°（如圖3 所示），燃燒室采用半球形結構。雙缸對置二沖程發動機，2缸進氣過程一致，仿真過程考慮單側氣缸的氣體的運動過程。計算區域為氣缸、掃氣道和排氣道。通過UG軟件建立的方案3 維流道模型，如圖4所示。

圖2 掃氣道仰角

圖3 掃氣道平射角

圖4 3維流道模型

2.2 網格劃分

合理的網格劃分是保證計算收斂的前提，網格生成的好壞直接影響燃燒模擬的準確性。結合活塞發動機的工作特點，將進排氣道區域設置為靜態網格區域；將氣缸工作區域設置為動態網格區域。由于活塞在動態運動過程中與進排氣氣道存在氣流運動，在部件連接處設置INTERFACE。經過網格無關性對比后，確定了初始網格數量為193305個。活塞在上止點、90°CA 曲軸轉角、下止點的網格模型如圖5 所示。

圖5 網格模型

2.3 邊界條件

在模擬過程中，進氣口壓力、缸內壓力及排氣道口壓力對掃氣氣流的速度及缸內燃燒廢氣的排出速度有直接影響，因此將進出口邊界設定為壓力邊界，氣缸壓力值由1 維仿真軟件GT-power 給定。溫度、湍動脈動動能及湍流混合長度為經驗值。仿真邊界初始條件見表1。

狗子這才滿意了，卻又問：“你來找江老師嗎？他一早就出去了。”雪螢說：“阿姨有事，你去玩你的吧。”說著，“蹬蹬蹬”上樓去了。狗子追上來，纏著她：“阿姨，你這段時間忙什么呢？怎么這么久不來了？阿姨，你陪我玩吧。”雪螢回過頭，說：“狗子，阿姨有重要的事要做，改天陪你玩好不好？”

表1 仿真邊界初始條件

2.4 缸內流動數學模型分析及選取

缸內的氣體流動模擬根據質量、動量和能量守恒定律來求解平均輸運方程。

（1）質量守恒方程張量形式的連續方程。

式中：i=1，2，3；ρ為流體的密度；ui為i方向的速度分量。

（2）動量平衡方程。

式中：ρgi和Fi分別為i方向上的重力體積力和外部體積力；Fi為包含了其他的模型相關源項；τij為應力張量。

式中：cs為組分s 的體積濃度；ρcs是該組分的質量濃度；Ds為該組分的擴散系數；Ss為單位時間內該組分的生產率。

（4）能量守恒方程。

式中：keff為有效熱傳導系數；Jj為組分j的擴散流量；Sh為流體的內熱源及由于粘性作用流體機械能轉換為熱能的部分。

（5）理想氣體模型。

式中：R為氣體常數；Ms為組分s的摩爾質量。

3 仿真分析

3.1 掃氣過程分析

分層掃氣模型中進氣道內設置為純空氣，進氣道進口設置為混合煤油氣體；而常規掃氣過程進氣口與掃氣道內均設置為混合煤油氣體。2 種掃氣模型在不同曲軸轉角下煤油氣體質量分布對比如圖6所示。

圖6 2種掃氣模型在不同曲軸轉角下煤油氣體質量分布

從圖中可見，掃氣口打開角度為114°CA、140°CA時，常規掃氣混合煤油氣已進入氣缸內參與掃氣，而分層掃氣在170°CA 時，混合煤油氣才小部分進入氣缸。本方案掃氣過程存在明顯的分層，從而減小了大量濃混合氣直接流出缸外而造成的短路損失。

2種掃氣方案排氣口煤油氣體質量流量如圖7所示。從圖中可見，采用常規掃氣時，煤油氣體從排氣口逸出時間比分層掃氣的提前，在160 ℃A 時煤油開始逸出，逸出量占總進油量的比值為31.4%。采用分層掃氣時，由于空氣先行進行掃氣，因而煤油從排氣口逸出時間明顯滯后，在200 ℃A左右時煤油開始逸出，其逸出量占總進油量的比值為18.2%。可得分層掃氣過程短路損失相比于常規掃氣過程的減少42%，因此可知分層掃氣過程顯著減小了掃氣過程短路損失。

圖7 2種掃氣方案排氣口煤油氣體質量流量

3.2 掃氣道容積影響分析

對于常規二沖程發動機而言，進排氣口的比時面值、形狀以及掃氣口的平射角、仰射角都會影響發動機的掃氣性能。而對于分層掃氣發動機而言，除了以上因素，掃氣道的容積和形狀是非常關鍵的因素：在發動機掃氣前，需要在掃氣道中存儲足量的純空氣，主要通過掃氣道的容積來保證。過少的空氣量起不到顯著減小短路損失的效果；過多的空氣量又會使發動機燃燒不穩定。

以下將通過優化掃氣道容積的方法對發動機掃氣性能進行優化設計。

為了評價不同方案掃氣性能的優劣，建立了掃氣仿真模型，模擬發動機在6500 r/min 轉速時，發動機從100ATDC到260ATDC轉角的整個掃排氣過程。通過后處理的數據分析，對掃氣過量空氣系數、掃氣效率、燃油捕獲率和缸內存油量進行對比評價，各評價參數定義見表2。

表2 掃氣評價參數

通過改變掃氣道寬度，設計了0.8、0.9、1.1、1.2、1.3 倍原容積v的掃氣道3 維模型。考慮到掃氣道容積的變化會影響曲軸箱壓縮比，對不同掃氣道容積下曲軸箱壓縮比進行了計算，計算結果見表3。

表3 變掃氣道容積下的曲軸箱壓縮比

從表中可見，與原曲軸箱壓縮比相比，曲軸箱壓縮比的最大變化率為-1.1%，掃氣道容積的變化對曲軸箱壓縮比影響可忽略不計，計算時采用相同邊界條件，邊界條件同表2。

不同掃氣道容積下的仿真計算結果見表4。

表4 不同容積掃氣道掃氣性能對比

從表中可見，隨著掃氣道容積增大，過量空氣系數增大，缸內廢氣清掃更為干凈，掃氣效率逐漸提高。當選用1.3v掃氣道時，相比原掃氣道，掃氣效率提高2%，燃油捕獲率提高1.8%。

4 試驗驗證

選取排量為90 mL 的二沖程發動機，保持發動機掃氣道仰角85°和掃氣道平射角110°不變，改變掃氣蓋寬度使得掃氣道容積變為原來的1.3 倍，如圖8 所示。據此可以獲得3 種狀態的發動機：（1）掃氣道容積不變且沒有采用分層掃氣。（2）掃氣道容積不變但采用了分層掃氣。（3）掃氣道容積變為1.3 倍且采用了分層掃氣。將這3 種狀態的發動機分別與測功機連接并進行臺架性能試驗。考慮飛行平臺巡航功率需求，此次試驗的節氣門開度取60%，轉速測量范圍為5000～8000 r/min，以500 r/min 為梯度，共設置7 個測試點測量發動機功率和油耗率，其中，以1號發動機最高油耗率作為基準，對各工況點油耗率做量綱化處理，具體測試數據如圖9、10 所示。圖中：1、2、3 號發動機分別對應傳統發動機、1.0V掃氣道分層掃氣發動機和1.3V掃氣道分層掃氣發動機。

圖8 1.3倍容積掃氣道蓋

圖9 不同掃氣道容積下的發動機功率對比

從圖中可見，分層掃氣發動機油耗率比傳統發動機的約降低40%，改變掃氣道容積省油效果可達10%左右；由于分層掃氣過程對充量系數影響，分層發動機升功率低于傳統發動機的。

圖10 不同掃氣道容積下的發動機油耗對比

5 結論

（1）通過仿真計算可得，分層掃氣過程短路損失相比于常規掃氣過程的減少42%。

（2）當選用1.3v掃氣道時，相比原掃氣道，掃氣效率提高2%，燃油捕獲率提高1.8%。

（3）試驗數據測量結果表明，分層掃氣發動機最低油耗率比傳統二沖程發動機的約降低40%，改變掃氣道容積省油效果明顯，可達10%左右。