滚流燃烧室对对置活塞二冲程汽油机工作过程的影响*



滚流燃烧室对对置活塞二冲程汽油机工作过程的影响*

摘要：针对对置活塞二冲程缸内直喷汽油机工作过程的特点，对比平顶活塞组成的燃烧室，设计了对置凹坑活塞组成的滚流燃烧室。采用3维流场仿真软件Fire建立该发动机仿真模型，对比分析两种燃烧室结构对扫气过程和混合气形成的影响。研究结果表明：所设计的滚流燃烧室通过活塞顶的导流凹坑组织缸内气体定向流动，形成更强的滚流；在扫气过程初期加强了涡流运动，促进废气扫除，并在压缩后期产生了“挤流+滚流”的气流运动，提高缸内平均湍流动能；滚流燃烧室较平顶燃烧室的燃油蒸发率提高10%，缸内混合气平均燃空当量比在1.05。

关键词：对置活塞二冲程滚流混合气

引言

对置活塞二冲程发动机由于具有较高热效率和高功率密度，曾在小型飞行器、船用动力等领域广泛使用[1]。但随着排放法规的日益严格，使其使用范围受到限制。近年来，二冲程缸内直喷汽油机通过采用缸内直喷技术和电动机械增压技术，可避免油气短路，实现良好的油气混合品质，因此受到人们的重新重视[2-3]。该类型发动机凭借其振动小、噪声低和功率密度高等特点，便于小型化和轻量化设计，因此可用于无人机、小型水下舰艇动力或者电动车增程器动力[4-5]。

对置活塞二冲程汽油机采用直流扫气方式完成工质更替，与四冲程发动机相比没有独立的进排气冲程，因此工质更替时间较短、油气混合时间较短。而缸内直喷汽油机对缸内流动和油气混合品质又有很高的要求，所以开展对置活塞二冲程汽油机缸内工作过程的研究非常重要[6]。文献[7]表明对于对置活塞式发动机，滚流比涡流更有利于改善缸内工作过程。然而，对置活塞二冲程汽油机具有小缸径、短行程的结构特点，气口尺寸较小，不利于通过气口设计进行大尺度的流动组织。文献[8-9]表明，燃烧室结构影响缸内气流运动特征，活塞顶几何形状对缸内气体流动具有引导作用。本文通过改进燃烧室结构的途径来改善对置活塞二冲程缸内直喷汽油机的缸内流动与油气混合品质，利用仿真手段对比分析了所提出的由对置凹坑活塞组成的滚流燃烧室与平顶燃烧室对缸内流动组织、扫气过程以及混合气形成的影响规律，为燃烧室结构进一步优化提供理论基础。

1燃烧室结构

1.1对置活塞二冲程汽油机

对置活塞二冲程缸内直喷汽油机采用“气口—气口”式直流扫气，进、排气活塞镜像布置于气缸内，为实现非对称扫气，通过进、排气曲轴之间的相位角设计实现排气活塞相位领先进气活塞相位15°CA。由于对置活塞式发动机取消了气缸盖，不存在活塞上止点，因此定义进排气活塞相对距离最小的位置为内止点。喷油器和火花塞布置于燃烧室周向，燃烧室由进排气活塞顶面和气缸体组成。发动机输出动力由链条汇合并对外输出，其原理示意图如图1所示，结构参数如表1所示。

图1　对置活塞二冲程汽油机原理结构示意图

表1　对置活塞二冲程汽油机参数

对置活塞二冲程汽油机的进排气口分别位于缸套两端，新鲜空气经增压进入气缸，进排气口的开关由进排气活塞控制。进气口的径向倾角为10°，如图2所示。

图2　对置活塞二冲程汽油机进气口示意图

1.2滚流燃烧室设计

对置活塞二冲程汽油机的进气腔与气缸垂直布置，气口分布均匀，难以在缸内产生滚流运动，不利于混合气的形成，进气过程如图3a）所示。为了加强缸内的滚流运动，结合直流扫气过程的特点，在原本的平顶活塞顶上设计导流凹坑，实现缸内流动的定向组织，如图3b）所示，从而提高滚流强度。活塞顶结构如图4所示。通过对凹坑深度和内止点间隙的调整保持压缩比不变。

图3　对置活塞二冲程汽油机缸内流动示意图

图4　凹坑活塞

2仿真模型的建立

2.1 CFD模型

本文利用AVL-Fire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，见图5。其中，进气道网格数110463，排气道网格数111755，平顶燃烧室的最大网格数为352225，滚流燃烧室的最大网格数为374573。

在计算过程中，湍流模型采用模型；蒸发模型选用Dukowicz模型；破碎模型选用Huh/Gosman模型；油滴间相互作用模型采用Nordin[10]。

图5　对置活塞二冲程汽油机网格模型

2.2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标定。放热率和壁面传热分别采用SI Wiebe和Woschni GT模型对其进行模拟。针对标定工况（15kW@6000r/min），通过性能预测得到缸内压缩初始压力0.13MPa和气缸壁面初始温度445K及活塞顶初始温度540K，计算边界条件见表2。

表2　计算边界条件

2.3扫气模型校验

在1200 r/min时，利用Fire软件对采用平顶燃烧室的发动机模型进行扫气过程模拟，并将仿真所得的缸压曲线与倒拖实验所测相对比，如图6所示。从图中可以看出，两条曲线吻合较好，因此可以采用上述模型模拟发动机扫气过程。

2.4喷雾模型的标定

图6　扫气过程缸内压力对比

喷雾过程是缸内直喷汽油机的重要工作过程，对混合气形成和燃烧具有重要的影响[11]。采用Fire软件搭建定容弹模型模拟了燃油的喷雾过程，并通过定容弹的喷雾试验对模型进行标定。喷雾试验所研究的喷油器是原理样机上采用的6孔高压喷油器，雾束分布如图7所示，各喷孔直径为0.2 mm，喷雾测量的试验条件如表3所示。

图7　喷油器雾束空间分布

表3　喷雾试验条件

图8为上述试验条件和计算条件下，喷雾仿真结果与定容弹试验结果对比。对比显示，两者吻合较好，因此选用该喷油器参数及相应喷雾模型可以较好地模拟缸内的混合气形成过程。

图8　喷雾试验与喷雾模拟对比

3仿真结果与分析

3.1缸内气流运动分析

对置活塞二冲程汽油机采用均质混合气燃烧模式，要求缸内气流具有适当的平均气流运动速度以实现油气的宏观混合，同时应具有较高强度的湍流以满足油气之间微观混合[6]。因此，对置活塞二冲程汽油机应合理组织缸内流动。

对于采用带导流凹坑活塞顶的滚流燃烧室，在进气口刚打开时，气口整体流通面积较小，活塞顶凹坑缺口对应的流通面积所占比重较大。因此从凹坑进入气缸的流动更强，产生了非均匀进气，加强了缸内的涡流运动，如图9所示。随着活塞的下行，气口流通面积增大，非均匀进气的流动减弱，而活塞顶对进气的导流作用增强。

图9　非均匀进气示意图

在流动计算中，采用涡流比SR和滚流比TR衡量进气过程中缸内涡流和滚流的变化。由于喷油器布置在气缸中心截面的X轴方向上，所以定义涡流绕Y轴运动，滚流绕Z轴运动。涡流比和滚流比的计算公式为式中：mi为网格微元的质量，ri为微元到转动中心轴的距离，vi为旋转线速度，N为发动机转速。

图10显示两种燃烧室方案的缸内涡流比变化情况。进气口打开初期，由于气口径向倾角的作用，两方案缸内均产生涡流。滚流燃烧室因为非均匀进气的原因，缸内涡流强度明显大于平顶燃烧室，有利于换气初期的快速扫气，减少残余废气；随着活塞的下行，气口流通面积增大，非均匀进气的流动减弱，两者增长速率趋于一致，最大值均在外止点过后；压缩行程中，由于气流内部消耗及气流与壁面的摩擦消耗，涡流比呈减弱趋势。

图10　涡流比随曲轴转角的变化规律

图11中显示了两种燃烧室方案的缸内滚流比变化情况。换气初期，两者滚流比一致，随着活塞的下行，气口流通面积增大，活塞速度降低，活塞顶凹坑对进气的导流作用加强，因此滚流燃烧室的滚流比增长速率大于平顶燃烧室。两方案均在200°CA取得最大值，随着气口流通面积的下降，进气流动减弱，滚流比下降。在进气口关闭后，滚流充量被压缩导致惯性矩减少，流动角动量衰减较少，滚流的角速度增大，因此滚流比出现上升。

图11　滚流比随曲轴转角的变化规律

图12　点火时刻气缸纵向截面上的速度分布

图12显示了在点火时刻通过喷油器中心线纵截面的缸内气流运动情况。由于凹坑的存在，平顶部分对气流产生挤压，流向凹坑。在凹坑区域，通过挤流和由相位差导致的进、排活塞速度差，在凹坑内靠近排气活塞侧产生了滚流。这种“滚流+挤流”的气流运动有利于改善燃烧，提高发动机性能[12]。

与气流运动相对应的是湍流动能的变化，如图13所示。在曲轴转角140°CA之前，两者湍流动能增长趋势一致；之后，采用滚流燃烧室的缸内平均湍流动能明显高于平顶燃烧室，在内止点处则高达98%。滚流燃烧室的活塞顶凹坑设计在换气过程产生了更强的涡流和滚流充量，加强了缸内气流运动；在压缩过程中，大尺度的滚流破碎成小尺度的涡导致湍动能升高。相比平顶燃烧室，其高湍动能区域分布范围更广，有利于油气的混合，在压缩内止点湍动能强度明显提高，有利于火焰的传播。

图13　湍流动能

3.2缸内扫气过程分析

对于对置活塞二冲程发动机，扫气过程是新鲜空气强制将燃烧室内的废气排挤出气缸。图14显示了两方案各自从进气口打开到排气口关闭过程中缸内残余废气的情况。

图14　缸内残余废气云图

图14a）显示了扫气初期气缸中心横截面的残余废气分布，结合图8分析，由于缸内产生涡流，新鲜充量形成绕气缸轴线旋转的“空气活塞”，将废气扫除，滚流燃烧室推挤速度更快，但两者均在气缸壁面处存在废气“滞留”区域。图14b）显示了气口流通面积最大时刻气缸中心横截面的残余废气分布，结合图10和图11分析，滚流燃烧室缸内滚流较强，与涡流结合成斜轴涡流，改善了气缸壁面处的气流运动，减少废气“滞留”[13]。图14c）显示了排气口关闭时刻气缸水平截面的残余废气分布，从图中可以看出，平顶燃烧室方案的气缸壁面处存在废气“滞留”区域，而滚流燃烧室基本没有废气残余在缸内。

3.3混合气形成分析

缸内气流运动直接影响到缸内混合气的形成与分布，理想状况下要求在点火时刻缸内形成均匀混合气[14]。图15表示了从喷油时刻至内止点时刻燃油喷射量与燃油蒸发量随曲轴转角的变化。在点火时刻，即340°CA，滚流燃烧室的燃油基本蒸发，达到喷射量的94%，较平顶燃烧室提高10%。

图15　燃油喷射量和燃油蒸发量曲线

图16显示了至内止点时刻缸内混合气的均匀度，相比平顶燃烧室，滚流燃烧室混合气均匀度提高了8%。滚流燃烧室由于其对滚流的组织，改善了缸内气体流动，有利于燃油的破碎、蒸发、雾化，加强喷雾初期缸内燃油和空气的宏观混合，并且在压缩后期较高的湍动能有利于燃油和空气微观混合[15]。混合气均匀度的定义为式中：ψi为该步长下每个网格的当量空燃比数值，ψ为该步长下的缸内平均当量空燃比，Voli为单个网格的体积，ΣVoli为整个气缸的实时体积。

图16　缸内混合气均匀度

图17显示了点火时刻两种燃烧室结构缸内燃空当量比的分布。与平顶燃烧室相比，采用滚流燃烧室，缸内混合气总体分布均匀，平均当量比为1.05。

图17　点火时刻混合气分布

4 结论

1）滚流燃烧室可组织更强的涡流和滚流，有效改善了平顶燃烧室在气缸壁面流动较差的情况；相比平顶燃烧室，其高湍动能区域分布范围更广、更均匀，内止点时刻提高了98%。

2）滚流燃烧室对流动的组织提高了新鲜充量扫除废气的速度和均匀性，扫气结束后缸内没有废气滞留。

3）相比平顶燃烧室，滚流燃烧室在点火时刻燃油蒸发量较平顶活塞燃烧室提高10%且混合气更均匀，缸内平均空燃比为1.05，可满足对置活塞二冲程缸内直喷汽油机采用均质混合气燃烧模式。

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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）

通讯作者：赵振峰（1974-），男，副教授，主要研究方向为发动机总体设计与性能。

文章编号：2095-8234（2015）03-0017-06

文献标识码：A

中图分类号：TK421.8

作者简介：王豪（1991-），男，硕士研究生，主要研究方向为汽油机缸内直喷技术。

*基金项目：国家部委级基础研究项目（B22201100055）。
王豪
1赵振峰
1王斌
2于霞
2商海昆
3（1-北京理工大学车辆动力系统技术重点学科实验室北京100081 2-山西柴油机厂工艺研究所3-河北华北柴油机有限责任公司）