对置活塞二冲程汽油机喷油和点火定时影响分析

马富康，赵长禄，张付军，赵振峰

(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081； 2.中北大学机械与动力工程学院，太原 030051)



2015171

对置活塞二冲程汽油机喷油和点火定时影响分析

马富康1,2，赵长禄1，张付军1，赵振峰1

(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081； 2.中北大学机械与动力工程学院，太原 030051)

对对置活塞二冲程缸内直喷汽油机缸内流动、混合气形成和燃烧过程进行数值模拟，以研究喷油定时和点火定时对混合气的形成、燃烧过程和整机性能的影响。结果表明：随着喷油提前角的增大，火焰发展期缩短，快速燃烧期先减小后增大，而在喷油提前角为100°CA时达到最小值；随着点火提前角的增大，火焰发展期延长，快速燃烧期先减小后增大且在点火提前角为20°CA时达到最小值。因此，喷油提前角100°CA、点火提前角20°CA为最佳匹配。此时，可实现点火时刻的均匀混合；同时具有较短的火焰发展期和快速燃烧期，所对应的缸内平均指示压力较高，指示燃油消耗率较低。

对置活塞二冲程汽油机;缸内直喷;喷油定时;点火定时

前言

随着内燃机技术的不断发展，对置活塞二冲程汽油机通过采用“气口-气口”式直流扫气、缸内直喷技术和多点点火方式，实现供油及扫气过程的分离和缸内快速燃烧，同时避免了燃油短路[1-4]。对置活塞二冲程缸内直喷汽油机区别于传统的四冲程汽油机，其燃油喷射过程处于进气口关闭后的压缩过程，要求有较快的雾化混合过程。压缩过程缸内流动状态的变化相对剧烈，因此不同喷油定时对应不同的缸内流动状态，不同的缸内流动影响燃油喷射雾化，而不同的雾化混合过程又对应不同的最佳点火定时。

缸内气流运动及喷雾的相互作用对燃油湿壁和点火时刻缸内混合气分布有显著影响，而这又主要取决于喷油开始时刻，即喷油提前角[5-6]。同时，点火提前角直接影响发动机的燃烧过程，从火花塞点火到火焰核心形成的着火阶段对燃烧过程有重要影响，这一阶段可以通过点火提前角的调整进行精确控制[7-9]。本文中结合对置活塞二冲程缸内直喷汽油机喷射雾化过程的特点，以喷油定时和点火定时为研究对象，重点分析其对混合气的形成、燃烧过程和整机性能的影响。

1 模型建立与边界条件

1.1 对置活塞二冲程汽油机

对置活塞二冲程汽油机采取无气缸盖和无气门机构的结构、喷油器周向布置的缸内直喷系统、火花塞周向布置的多点点火系统、直流扫气系统、两对置平顶活塞组成燃烧室系统，并采用链传动实现对置曲柄连杆机构的同步工作。其具体结构见图1，相关参数见表1。

表1 对置活塞二冲程汽油机参数

1.2 模型的建立

文中应用AVL_Firer软件建立了对置活塞二冲程汽油机工作过程CFD仿真模型。分别对进排气道进行网格划分，并对进排气口处进行局部网格细化，缸体部分通过分别定义进排气活塞的运动规律进行一个工作循环的动网格划分，其中进气道网格数83 062，排气道网格数85 989，气缸体网格数88 256，总网格数257 307。进排气活塞运动的动网格见图2，并按照活塞实际的运动规律(图3)处理。

在混合气形成过程中，对油膜蒸发、卷吸和油滴飞溅分别采用Multi-Component，Schadel-Hanratty和Kuhnk模型进行模拟[10]。点火模型采用Spherical model，燃烧模拟采用Extended Coherent Flame model，该模型采用火焰面密度的方法描述火焰发展过程，考虑了湍流与化学机理的相互作用，其物理意义更为准确[11-12]。

1.3 边界条件

根据实际发动机参数，采用GT-Power软件对发动机进行了工作过程仿真并对其模型进行了标定。计算过程分别采用SI Wiebe和Woschni GT模型对放热率和壁面传热进行模拟。针对标定工况(功率为15kW，转速为6 000r/min)，通过性能预测得到缸内压缩初始压力为0.13MPa和初始温度为445K，计算边界条件见表2。

表2 计算边界条件

2 缸内过程CFD计算分析

2.1 喷雾模型标定

在喷雾过程模拟中，喷雾模型采用离散液滴模型，其中包含喷雾粒子的蒸发、破碎、交互碰撞聚合和湍流扩散等子模型；同时选用Huh/Gosman破碎模型、Nordin油滴间相互作用模型、K-Epsilon湍流模型和标准壁面方程。选择喷油压力为10MPa下的喷油速率[13]，参阅文献[14]对Huh/Gosman破碎模型进行了调整标定，该模型各系数的取值见表3。

表3 Huh/Gosman模型标定系数

2.2 混合气形成分析

对于对置活塞二冲程缸内直喷汽油机，压缩过程中缸内气体的动量不断变化，而喷雾与气流的相互作用取决于喷油提前角[15]。因此，首先对不同喷油提前角下喷雾与气流的相互作用进行分析。图4为点火提前角为20°CA时，喷油提前角对点火时刻火花塞附近和缸内平均湍动能的影响，图中所示为与纯气流运动相比的湍动能变化百分比。由图可见：虽然进气过程喷雾动量的输入使缸内充量的湍流水平有所提高，但由于压缩过程的耗散，缸内平均湍动能的变化较小，均在-4%以内。

由于不同喷油提前角时缸内气体流动过程并不相同，因此点火时刻火花塞附近湍动能差别比较明显，其中喷油提前角为110°CA时，变化较大，为-13%；其余4种喷油提前角时变化均在-10%以内，且随着喷油提前角的增大，湍动能减小。火花塞附近较高的湍动能有利于初期火核的快速传播，而缸内较高湍动能可提高燃烧速率，改善发动机燃烧稳定性。

均匀混合缸内直喷二冲程汽油机由于在压缩过程喷射，喷油提前角直接影响到燃油液滴在缸内的分布和混合气形成时间。为进一步分析，引入空气利用率定量分析缸内燃油当量比分布，其中空气利用率定义[16]为

(1)

式中：Vtol为缸内气体总体积；Vi为当量比为0.5～1.5的网格总体积。

图5为点火提前角为20°CA时，点火时刻缸内空气利用率与缸内工质温度随喷油提前角的变化关系。由图可见：喷油过早，喷油开始时刻缸内气流运动较弱不利于燃油的雾化混合；喷油过晚，在点火前燃油没有足够的时间蒸发混合。因此，当点火提前角一定时，存在最佳的喷油提前角以保证较高的空气利用率。同时，喷油过早，缸内压力较低，雾束贯穿度较大，燃油碰壁量较多，燃油蒸发更多从壁面吸热而非充量吸热，工质温度较高；喷油过晚，燃油碰壁量较少，燃油从充量吸热蒸发，工质温度较低。因此，随着喷油提前角的增大，缸内工质温度呈上升趋势。

图6为点火提前角为20°CA时，点火时刻燃油蒸发比例和累积碰壁量。由图可见：随着喷油提前，点火时刻燃油蒸发量增加，壁面累积燃油量减少。由于提前喷油，雾化混合时间增加，点火时刻总的燃油蒸发量增加，从而可减少壁面油膜形成的概率。

图7为火花塞电极所在的气缸横截面中，不同喷油提前角和不同点火时刻下，缸内混合气当量比的分布。由图可见：当喷油提前角为100°CA，点火提前角为20°CA时，较浓混合气主要集中于气缸中心位置且混合气较均匀；随着喷油推迟，用于燃油混合的时间缩短，混合气均匀性变差，且由于缸内气流运动较弱不利于液滴扩散，缸内中心区域混合气较浓；随着喷油提前角的增大，喷射过程缸内气流运动较强，有利于液滴扩散。当喷油提前角大于100°CA之后，气缸壁面附近的较浓混合气逐渐增多，这势必会增大燃油蒸气遇冷壁面后冷凝及火焰淬熄的可能，并且加大了壁面传热损失。

2.3 燃烧过程分析

2.3.1 喷油定时对燃烧过程的影响

将点火提前角固定在20°CA，研究不同喷油提前角对缸内燃烧过程的影响。燃烧持续期包括火焰发展期和快速燃烧期两个阶段：火焰发展期为从火花跳火到累积放热量达到10%所经历的曲轴转角；快速燃烧期为累积放热量从10%到90%所经历的曲轴转角。图8为火焰发展期和快速燃烧期与喷油提前角的关系曲线。

由图可见：随着喷油提前角的增大，火焰发展期逐渐缩短，这与缸内混合气的分布有关，随着喷油时刻的提前，燃油与空气混合的时间变长，有利于油气之间的均匀混合，促进火核的形成，从而会缩短火焰发展期；随着喷油提前角的增大，火焰发展期逐渐缩短，快速燃烧期先减小后增大且在喷油提前角为100°CA时达到最小值，说明此刻混合气的当量比分布最为合适，空气利用率最高，火焰传播速度最快。

缸内直喷汽油机的燃烧过程受混合气均匀性、当量比和湍流水平等因素的影响。由于不同喷油开始时刻对缸内工质运动状态的影响不同，且流动形式和当量比分布也不尽相同，必然会影响燃烧过程。图9和图10分别为点火提前角为20°CA时，不同喷油提前角下的燃烧放热率和缸内压力的对比。由图可见：喷油提前角为110°CA时具有较低的燃烧放热率，其余3种喷油提前角下的放热率较高，并随着喷油提前角的减小，放热过程后移，喷油提前角为100°CA时燃烧放热率峰值最大；由于燃烧过程不同，缸内最大爆发压力也存在差异，其中喷油提前角为100°CA时对应的缸内爆发压力最高。

2.3.2 点火定时对燃烧过程的影响

将喷油提前角固定在100°CA，研究不同的点火提前角对缸内燃烧过程的影响。图11为不同点火提前角下的火焰发展期与快速燃烧期。由图可见：与改变喷油提前角的情况不同，火焰发展期随着点火提前角的减小而缩短。由于点火提前角的减小使得混合气的点火时刻推迟，这样混合气在点火前将经历更多的压缩过程，致使点火前的初始压力和温度均有所升高，有利于火焰核心的形成。因此，推迟点火有利于在GDI汽油机缸内迅速形成火焰核心。这主要是由于推迟点火一方面增加了缸内工质的混合时间，使燃油与空气的混合更加充分，更易于点燃；另一方面对置活塞离上止点越近，缸内工质的被压缩程度越高，点火时所对应的缸内温度和压力越高，有助于火焰核心的形成和发展。两者的共同作用导致了火焰发展期随点火定时的推迟而缩短。

随着点火提前角的增大，快速燃烧期先减小后增大且在点火提前角为20°CA时达到最小值。因为点火时刻太早，相对较低的缸内温度和压力不利于火焰的快速传播，快速燃烧期延长；点火时刻推迟时，燃烧始点后移，缸内工质燃烧所对应的缸内压力和温度相对较低，缸内工质的氧化反应变缓，不利于火焰的快速传播[17]。同时，燃烧始点后移还造成了缸内工质在膨胀过程内的燃烧比例增加，膨胀过程对置活塞向外侧移动将加大火焰的传播距离，增大火焰传播时间。

图12和图13分别为喷油提前角为100°CA时，不同点火定时下的放热率和缸内压力对比。由图可见：随着点火提前角的增大，燃烧过程提前，缸内压力峰值增大，并且在点火提前角为20°CA时，瞬时放热率峰值最大，这是由于随着点火定时的延迟，有利于增加混合时间，改善燃烧，瞬时放热率峰值增大；但随着点火定时的进一步延迟，燃烧始点后移，燃烧持续时间增加，火焰传播速度降低，导致缸内工质放热过程逐渐迟缓，瞬时放热率峰值降低。

2.4 整机性能分析

图14和图15为标定工况(功率为15kW，转速为6 000r/min)不同喷油定时下的平均指示压力和指示燃油消耗率随着点火定时的变化。由图可见，喷油提前角为100°CA、点火提前角为20°CA时，平均指示压力较高，指示燃油消耗率较低。

3 结果验证

上述各项试验的结果表明，点火提前角为20°CA和喷油提前角为100°CA时，对置活塞二冲程缸内直喷汽油机的各项性能都较佳。为验证喷油定时和点火定时这一匹配的结果，进行了标定工况的整机试验。图16为试验和仿真的缸内压力曲线。由图可见，两条曲线基本吻合，说明模型参数选取合理，同时也证明喷油定时和点火定时匹配正确，缸内气流的组织和混合气的形成满足对置活塞二冲程汽油机的要求。

4 结论

(1) 喷油提前角对喷雾与气流的相互作用有决定性影响，对火花塞附近湍动能的影响较明显，而对点火时刻缸内平均湍动能的影响则较小，存在最佳的喷油提前角可满足较高的空气利用率，即在喷油提前角为100°CA、点火提前角为20°CA时，可实现点火时刻燃油与空气的均匀混合。

(2) 随着喷油提前角的增大，火焰发展期缩短，快速燃烧期先减小后增大，在喷油提前角为100°CA时达到最小值，提前喷油使燃油与空气混合的时间变长，有利于均匀混合，促进火焰核心的形成，火焰发展期缩短；不同喷油提前角对应的点火时刻当量比分布不同，影响快速燃烧期和燃烧放热过程。

(3) 随着点火提前角的增大，火焰发展期延长，快速燃烧期先减小后增大，在点火提前角为20°CA时达到最小值，推迟点火使混合气在点火前经历更多的压缩过程，致使点火前的初始压力和温度均有所升高，有利于火焰核心的形成，火焰发展期缩短；不同点火时刻所对应的缸内热力状态不同，影响快速燃烧期和燃烧放热过程。

(4) 喷油提前角为100°CA、点火提前角为20°CA时，平均指示压力较高，指示燃油消耗率较低。

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Effect Analysis of Injection and Ignition Timingsin Opposed-Piston Two-Stroke Engine

Ma Fukang1,2, Zhao Changlu1, Zhang Fujun1& Zhao Zhenfeng1

1.SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081; 2.SchoolofMechanicalandPowerEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051

A numerical simulation on the in-cylinder flow, mixture formation and combustion process of an oppose-piston two-stroke direct injection gasoline engine is conducted to study the effects of injection timing and ignition timing on the mixture formation, combustion process and overall performance of the engine. The results show that with the increase of injection advance angle, the flame developing period shortens and the rapid burning period shortens first then extends and reaches a minimum at an injection advance angle of 100°CA, while with the increase of ignition advance angle, the flame developing period extends and the rapid burning period shortens first then extends and reaches a minimum at an ignition advance angle of 20°CA. Therefore the optimal matching is an injection advance angle of 100°CA with an ignition advance angle of 20°CA, with which the uniform mixing of fuel and air at ignition moment can be achieved, with shorter flame developing period and rapid burning period, corresponding to a higher mean indicated pressure and a lower indicated specific fuel consumption.

opposed-piston two-stroke gasoline engine; in-cylinder direct injection; injection timing; ignition timing

原稿收到日期为2013年12月10日，修改稿收到日期为2014年4月17日。