采用旋流喷油器的二冲程直喷汽油机混合气形成过程的数值解析

李新海，许伯彦，张寿荣，赵秀亮

（1.山东建筑大学机电工程学院，山东 济南 250101；2.山东大学能源与动力工程学院，山东 济南 250100）

面对当前日益严格的汽车排放标准以及日益严重的环境和能源问题，人们不断研究和寻找提高燃油经济性和降低排放的方法。二冲程发动机具有升功率高、做功密集度大、运转平稳、机械损失少、结构简单、制造成本低及维修方便等优点［1］，可以使汽车动力性更好。但是传统二冲程发动机在扫气过程中容易产生可燃混合气短路等现象，造成燃油经济性差和未燃碳氢（THC）化合物排放升高等问题，二冲程发动机曾经被淘汰出市场［2］。近十年来，在四冲程机上采用的缸内直喷技术为解决二冲程汽油机存在的这些难题提供了可能的途径，理论上可以在换气过程结束后直接将燃料喷入气缸，实现单纯空气扫气，从而极大地改善了二冲程汽油机的燃油消耗和排放水平［3］。

目前，国内外所研究的二冲程直喷发动机仅限于使用直射式喷油器进行喷射，但是这种喷油器的喷射贯穿距较长，喷雾锥角较小［4］。蔡晓林以排量98cm3的摩托车化油器发动机为基础，设计了直喷系统，采用单孔轴针式喷嘴和自己研发的脉冲喷射系统，可完全消除原机燃油短路的现象；在低速低负荷工况下，通过实现一定程度的分层燃烧，燃油消耗及排放得到较大改善，但这样做显然不能满足二冲程发动机均质混合气形成的需要［5］。相比较而言，旋流喷油器在同等喷射压力的情况下有着比直射式喷油器更短的喷射贯穿距和更大的喷雾锥角［6］，能在更短的时间内使二冲程发动机内混合气混合得更加均匀。

采用AVL Fire2013计算流体软件，首先验证了旋流喷油器与普通喷油器的喷雾过程，并对其喷雾形态的变化进行了对比。建立了二冲程直接喷射发动机的计算模型，得到了二冲程直喷发动机应用旋流喷油器后在缸内形成均质混合气的最佳喷油时刻，模拟了在这一喷射正时下缸内混合气的形成过程。

1 计算模型及模拟方法

为了研究二冲程直喷汽油机均质混合气的形成过程，采用三维建模软件Pro／E建立发动机实体模型，输出.stl格式文件导入Fire软件中进行网格划分及模拟计算［7］。所采用模型的基本参数见表1。图1示出二冲程直喷发动机的工作原理示意。发动机设计为4个扫气道与1个排气道结构，喷油器中置，火花塞置于排气道一侧的气缸盖位置。当排气道与扫气道同时打开时，气流由扫气道进入，在缸内形成纵向滚流，扫气气流推动废气由排气道排出［8］。

表1 发动机参数

1.1 计算方法的可行性验证

为了验证旋流喷油器能以更短的喷射贯穿距、更大的喷雾锥角使二冲程发动机混合气的形成更加快速、均匀，本研究采用静态喷雾的方式，通过直射式喷油器和旋流喷油器的静态喷雾图对喷雾贯穿距及喷雾锥角进行比较［9－10］。

图2示出压力涡流喷油器的实体结构与网格结构。其基本原理是燃油由进口流入喷油器，经旋流槽的引导进入喷孔。由于旋流槽与喷孔呈一定角度，所以会产生圆周运动，根据能量守恒定律，轴向运动会减弱，所以旋流喷油器的喷雾锥角较大，而喷雾贯穿距较短。

旋流喷油器是由进口压力产生动力，燃油在喷油器内部被引导着作旋流运动，由于离心力和喷射压力的双重作用，燃油离开喷孔时呈现出中空圆锥形极薄液膜的特殊形态［11］。这种喷雾形态受背压影响较小，具有很快的扩散混合速度。由图3对比分析可得，在相同的喷射压力下，旋流喷油器的喷雾锥角更大，贯穿距离更短，这样弥补了GDI汽油机混合气形成时间短的不利因素［12］。在二冲程发动机高转速的情况下应用旋流喷油器，能使喷出的燃油更易与空气混合，形成均质混合气。

1.2 数学方程及计算模型

描述二冲程直喷发动机混合气形成过程的数学方程包括质量守恒方程、能量守恒方程、动量守恒方程等。计算过程中使用的喷雾模型有喷雾液滴碰撞聚合模型，蒸发、破碎以及碰壁模型等［13－14］，图4示出发动机气缸三维模型和网格模型。

1.3 验证试验

为了验证二冲程直喷发动机燃油与空气在缸内的混合，在1台单缸机（见表2）上设计了一套可视化设备，通过在气缸盖上安装内窥镜拍摄照片来实现（见图5）。气缸盖采用采用透明材料代替，在气缸盖上与排气口相反的方向安装了一个内窥镜来拍摄燃油的喷雾过程［15－16］。模拟过程中采用相同的试验条件，计算模型的网格数量为445 932，转速为1 700r／min。将得到的模拟结果与试验结果进行对比分析，验证模拟方法以及求解过程的正确性。

表2 试验台架主要参数

图6示出试验图像与模拟图像的对比。图6a试验图像中有弯曲的透明白线，这些白线用作试验过程中的标尺尺度。因为实验室采用将内窥镜插入缸内进行拍照的方法，所以这些标尺线就变得扭曲了，但不影响试验拍摄浓度场的效果。

从图6可看出，在ABDC75°曲轴转角开始雾化的过程中（喷射时刻为ABDC65°曲轴转角），模拟结果与试验条件下所获得的结果几乎完全一致，从而证明了物理模型与求解器的正确性。

2 初始条件的确定

为了获得模拟所需要的初始条件和边界条件，采用AVL Boost软件进行粗略模拟，得到扫气道和排气道的压力、温度等数据（见表3）。图7和图8示出大负荷下扫气道与排气道的压力曲线，以此作为计算过程中的边界条件。

表3 大负荷下初始条件

3 计算结果与分析

图9示出不同喷油时刻下在BTDC15°时刻汽油质量分数的分布。从图9可知，当ABDC0°时开始喷射燃油，虽然最终形成了均匀混合气，但是在排气道位置明显看到了汽油的存在。说明此时喷射的燃油易于随气流运动形成短路，造成THC化合物排出增加。在ABDC30°开始喷射燃油时，由于混合时间过短，在BTDC15°时刻不能形成均质混合气。为了能使燃油与空气有充分的时间混合，应该在燃油不发生短路的前提下尽早喷射。在图9b中，ABDC15°开始喷射燃油，排气道内部不存在燃油，并且能够形成较好的均质混合气。

图10示出不同时刻缸内速度场变化，喷油时刻为ABDC15°。由图10可看出，在ABDC0°时刻，扫气道的速度与排气口的速度较大，排气道末端还没有扫气流过，速度基本为0；在ABDC58°时刻，由于关闭了扫气道与排气道，气缸内的气体流动速度迅速降低，且在气缸与排气道还存在的缝隙位置速度较大；当活塞继续上行，由于活塞运动产生的滚流迅速破碎形成流速较快的局部滚流，气缸内的流速升高，这些破碎的滚流有助于燃油与空气进行更加迅速的扩散混合，形成均质混合气。

图11示出不同时刻缸内燃料质量分数分布的变化，喷油时刻为ABDC15°。由图11可知，汽油喷射后随在扫气口产生的纵向滚流运动，蒸发混合，在BTDC15°时基本形成均匀的燃油混合气。在ABDC 15°时刻喷射，喷雾锥角较小，燃油随滚流运动避免了短路，改善了发动机的排放性能。

4 结论

a）采用旋流喷油器后，燃油以螺旋伞状喷入气缸，其喷雾锥角相较于一般直喷式喷油器更大，贯穿距离更短，应用到二冲程直喷发动机上可以弥补其高转速、油气混合时间短的不利影响，容易形成更为均匀的混合气；

b）在二冲程直喷发动机上应用旋流喷油器后，加快了燃油的蒸发混合，模拟结果显示，在ABDC 15°开始喷射更有利于均质混合气的形成，并且避免了二冲程发动机燃油易于短路而造成的燃料浪费和空气污染等缺点，提高了发动机的燃油经济性和动力性。

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