直流扫气柴油机扫气流场分析

赵峰，兰红安

（1.江苏海事职业技术学院，南京211170；2.中国船级社福州分社，福州350008）

直流扫气柴油机扫气流场分析

赵峰1，兰红安2

（1.江苏海事职业技术学院，南京211170；2.中国船级社福州分社，福州350008）

利用三维流体动力学（CFD）仿真软件FIRE，建立了二冲程柴油机气缸直流扫气三维模型，采用数值模拟的方法，研究了扫气口设计参数对换气过程的影响，对不同的气口设计方案下的气缸内残余废气浓度随曲轴转角的变化过程作了细致的描述，并对扫气口径向倾斜角的变化对换气过程的影响做了更进一步的探讨。

柴油机扫气过程扫气口数值模拟

1 前言

作为大型船舶的主推进动力装置，如今二冲程直流扫气柴油机的应用已经越来越广泛。但是，由于其缺乏单独的换气行程，换气的质量相对四冲程柴油机来说相对较差。而换气质量的好坏将对燃油雾化、燃烧及产物排放等有着很大的影响。因此对二冲程直流扫气柴油机换气过程的研究有着极其深远且积极的意义[1]。对于二冲程直流扫气柴油机而言，了解不同的扫气口形状，对改善柴油机的换气及燃烧质量，减少污染物的排放等有着积极的作用。当今对扫气口应用最为广泛的形式分别为“矩形”和“狗腿式”（dog-legged）两种[2]，前者已经广泛应用于船舶中的大型低速柴油机上，后者也已经在美国UTC公司使用。然而，对大型二冲程直流扫气柴油机而言，为了减少活塞顶部废气的残留，MAN B&W公司率先提出取消扫气口的仰角，并已经在S60MC、S70MC、S90MC等柴油机中应用[3]。

本文主要是对“矩形”扫气口气缸模型进行三维流体动力学分析，把扫气口的径向倾斜角设计成10°、20°和30°，并分别进行模拟分析对比，进而得到较为理想的结论。

2 模型的建立

本文在进行建模时，以MAN B&W公司生产的6S70MC柴油机的气缸为例，该柴油机的主要技术参数如表1所示。由于计算对象是气缸中的流体，因此建模部分应该是气体存在的空间部分，即为扫气箱、扫气口及气缸内的部分[4]。柴油机气缸的实体模型及计算模型如图1所示。

表1 6S70MC柴油机主要技术参数

在进行网格划分时，把整个计算模型分为燃烧室（Ⅰ）、气缸（Ⅱ）和扫气口及扫气箱（Ⅲ）3个部分，分别进行划分，然后再把划分好的网格粘结在一起进行流体动力学计算。做动网格的范围是从活塞上止点后141℃A到218℃A，即从活塞下行把扫气口打开直至活塞上行将扫气口完全关闭的整个过程。

图1 气缸模型及网格结构图

3 扫气过程的数值模拟

在保持气缸及各扫气口其他尺寸不变的前提下，单独改变扫气口的径向倾斜角（扫气口径向轴线与气缸半径之间的夹角），分别用Pro/E三维建模软件建立起各自的模型，然后导入到AVL FIRE软件中进行数值模拟计算。扫气口的径向倾斜角分别设计为10°、20°、30°。设计方案如图2所示。

图2 扫气口径向倾斜角不同设计方案

3.1 扫气口径向角对缸内流场的影响

图3所示为当曲轴转角运行到180℃A ATDC，即下止点位置时，此时扫气口完全打开，3种扫气口径向角下的缸内流场。由图3（a）可以看出，当扫气口的径向倾斜角设计成10°时，计算结果显示，扫气过程中，柴油机气缸内的气体流场在气缸中心线的下部产生强烈的涡流。原因是气缸扫气口是均匀地布置在气缸壁上的，当扫气口的径向倾斜角设计较小时，通过扫气口迎面进入气缸的两股气流势必会发生碰撞，造成气体动量和能量的损失。从相应的俯视图4（a）也可以看出，气缸内盘旋上升的气体流场密度明显减小，同样是由于从对称扫气口进来的2股气流发生碰撞，造成气流短路并在气缸底部形成涡团，2股气流彼此之间干扰比较严重，因而该情况下新鲜空气与废气的混合程度也比较剧烈。整个换气过程不能达到靠新鲜空气的进入来推动废气强制排出气缸的效果，所以最终不利于换气质量的提高。

图3 不同扫气口设计方案下的缸内气流流速的正视图

图4 不同扫气口设计方案下的缸内气流流速的俯视图

当扫气口径向角为20°时，从图3（b）可以看出，在活塞位于下止点时（180℃A ATDC），缸内气流短路现象不明显。通过比较俯视图4（b）可以看到，此时柴油机气缸内气体流场的密度明显增大，盘旋上升的气流较多。考虑到柴油机缸内燃烧后的废气在缸内的存在形式应该是紊流状态，杂乱无章，而通过扫气口进入气缸的新鲜空气应该是盘旋上升的。因此换气过程中，新鲜空气的进入推动了废气盘旋上升，进而达到较为理想的换气效果。

可以初步判定当扫气口的径向倾斜角设计成20°时，每循环进入气缸的新鲜空气量明显增多。并且此时由于来自对称扫气口的气流之间的碰撞不明显，进而在柴油机气缸内并未形成气体流场短路情况，从而提高了柴油机的换气质量。

当扫气口的径向角为30°时，由图3（c）可以看出，此时在活塞顶上方及气缸壁四周产生环形涡流。究其原因，是因为当柴油机气缸扫气口的径向倾斜角设计过大时，造成来自扫气箱的气流进入气缸，直接与气缸壁发生碰撞，进而在气缸壁四周造成气流短路现象。从对应的俯视图4（c）可以看到，当气缸扫气口的径向倾斜角设计过大时，气缸壁周围的环形气流流场密度较大。因此推断气缸壁四周盘旋上升的气流较多。然而此时气缸中心线附近的环形气流流场极少，说明气缸中心线附近大多是燃烧后的废气。因此，该情况下大抵只有气缸壁周围的废气方是通过新鲜空气的进入盘旋上升推动废气排出气缸，并且由于此时进入气缸的气体与气缸内壁发生了碰撞，造成气体流动方向改变，新旧气体混合严重。另外，此时，气缸中心线附近的废气基本上是靠气体自身流动的惯性自发地排出气缸的，因此该情况下柴油机气缸内的换气质量相对较差。综上所述，对3种扫气口的设计模型分别进行数值模拟计算。通过观察气缸内气流流动的情况，可以初步看出，在气缸及扫气口的其他设计尺寸不变的前提下，当扫气口的径向倾斜角设计成20°时，比较有利于换气过程质量的提高。

3.2 扫气口径向角对缸内残余废气浓度的影响

针对3种扫气口径向角，分别进行缸内残余CO2的模拟计算。当活塞位于下止点时，缸内的新鲜空气与残余废气浓度的分布情况如图5及图6所示。通过对比图5（a）、（b）、（c）可知，当活塞位于下止点时，即换气过程的前期阶段。扫气口的径向倾斜角设计成10°时，扫气的效果最不理想，此时残余废气占混合气体的比例约为46.9%；扫气口的倾向倾斜角成30°时扫气效果居中，此时残余废气占混合气体的比例约为44.7%;扫气口的径向倾斜角设计成20°时的扫气效果为最好，此时残余废气占混合气体的比例约为37.8%。

图5不同扫气口设计方案下CO2浓度

图6 展示的是3种设计方案下，在扫气口打开过程中缸内的废气浓度随曲轴转角变化的曲线。另外，当扫气口的径向倾斜角过大时，生产加工比较困难。因此，根据大连造船厂、沪东重工及福州船级社所提供的资料可知，如今MAN B&W公司所生产的S50MC、S60MC、S70MC等型号的大型低速柴油机的扫气口的径向倾斜角大多设计为20°左右。

图6不同扫气口径向角时缸内CO2浓度随曲轴转角变化的曲线

图7 所示为在换气过程结束后，缸内新鲜空气与废气浓度的分布云图。从图7可以直观地看出，当扫气口的径向倾斜角设计成10°和30°时，柴油机气缸内的废气浓度在扫气口关闭后仍比较大，分别为12.5%和9.4%。而当扫气口的径向倾斜角设计成20°时，气缸内废气浓度在扫气口关闭后显得最小，此时缸内废气浓度约为5.7%。综上所述，对6S70MC型柴油机而言，由于扫气口位于气缸底部成对称分布，所以当扫气口设计的径向角度较小时，气流进入气缸，易与来自对面扫气口的气流发生碰撞，在气缸中心处气流交汇，从而较易形成短路气流，进而不利于扫气，而且对扫气功的耗费很大。反之，若扫气口的径向倾斜角设计过大，那么扫气进行时，当通过扫气口的新鲜空气进入气缸时，很可能直接与气缸壁碰撞，使缸内产生严重的涡流，同样也不利于扫气。

4 结束语

通过对柴油机换气过程的数值模拟计算和缸内流场的分析，可以得出如下的结论：

二冲程直流扫气柴油机气缸的扫气口的径向倾斜角不宜过小或过大。过小将直接导致气流短路，扫气功耗增加，换气质量降低；过大将使气流直接冲击到气缸壁上，在气缸壁周围形成短路涡流，同样造成换气质量下降[5]。气缸扫气口的径向倾斜角的大小在20°左右为宜。

图7 排气阀关闭时缸内残余CO2浓度情况

1陈石，吴春杰．二冲程柴油机设计参数对扫气过程的影响[J]．小型内燃机与摩托车，2001，30（5）：26-29．

2 Chapman K,Two-Stroke Cycle Engine Port Flow Analysis[C].CIMAC Congress 2004,Kyoto,2004: 1-16.

3赵峰．直流扫气柴油机扫气过程仿真分析及优化[D]．大连：大连海事大学，2010．

4 Kim C S,Lee D H,Cho Y S.The Comparison About CFD-Simulation&Measurement Result Of Large Two-Stroke Diesel Engine[C].CIMAC Congress 2001,Hamburg,2001:1141-1148.

5 Stuecke P,Egbers C.Visualization of Scavenging Flow in the Design of Small Two-stroke Engines [J]．Optics&Laser Technology,2006(38):272-276.

Flow Field Analysis on Scavenging Processes for Diesel Engine with Uni-flow Scavenging

Zhao Feng1,Lan Hong'an2
（1.Department of Marine Engineering,Jiangsu Maritime Institute,Nanjing,211170; 2.China Classification Society Fuzhou branch，Fuzhou 350008,China）

By using FIRE,the three-dimensional computational fluid dynamics(CFD)software,a 3D model of uni-flow scavenging of two stroke diesel engine cylinder was set up,with which the influence of intake design parameters on the scavenging process was studied by numerical simulation,giving a detailed description about the changing process of the gas flow field and exhaust gas concentration in cylinder with crank angle under different air intake port designs.And a further study was done on the effect of the changes of intake port inclination in radial on the scavenging process.

diesel engine,process of scavenging,inlet port,numerical simulation

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.03.003

来稿日期：2012-02-06

赵峰（1983-），男，硕士研究生，主要研究方向为现代轮机管理。