二冲程直喷汽油机混合气形成的数值解析研究

孙朝栋,许伯彦,张寿荣

(1.山东建筑大学 机电工程学院，山东 济南 250101；2.山东交通职业学院 泰山分院，山东 泰安271000)



二冲程直喷汽油机混合气形成的数值解析研究

孙朝栋1,许伯彦*,张寿荣2

(1.山东建筑大学 机电工程学院，山东 济南 250101；2.山东交通职业学院 泰山分院，山东 泰安271000)

二冲程汽油机具有升功率高、做功密度大、运转平稳、结构简单等优点。文章依据四冲程缸内直喷汽油机结构特点，提出了区别于传统的曲轴箱扫气形式的、具有弯曲活塞顶的壁面引导式二冲程直喷汽油机的分层稀薄燃烧系统，利用纹影实验验证了数值解析计算方法的可行性，使用AVL Fire软件数值模拟了壁面引导式二冲程直喷汽油机在不同负荷工况(4800 r/min)时缸内混合气形成的过程。结果表明：在部分负荷工况时，燃油在压缩过程中后期喷射，接近点火时刻(25°CA BTDC)火花塞电极附近形成了理想的可燃分层混合气构造，燃烧室的整体空燃比可达到40:1；在大负荷工况时，燃油在扫气后期喷射，接近活塞压缩终了气缸内可形成均质可燃混合气，且不造成燃油短路。

二冲程直喷汽油机；壁面引导；混合气；数值解析

0　引言

当前，汽车的排放标准越来越严格，能源紧缺和环境问题也日益严重。学者们通过不断的研究来探索降低燃油消耗和排放的途径。近10年来，成功应用于四冲程汽油机上的缸内直喷技术明显的提高了发动机部分负荷工况的经济性和燃烧效率[1]。缸内直喷发动机(GDI)将燃油直接喷入气缸，喷油正时控制灵活，即可实现均质当量比和分层稀薄燃烧两种混合气形成方式。采用分层稀薄燃烧技术的发动机可以使发动机缸内稀燃的界限扩大至整体空燃比为40:1以上，这与传统的FPI系统的发动机相比较，可以节省20%～30%的燃油消耗量[2]。目前，实现发动机缸内混合气分层稀薄燃烧技术主要有两种方式[3]，(1) 喷雾引导直接将燃油蒸汽喷射传送至火花塞周围的区域形成可燃的分层混合气。宋东先等研究了六孔喷油器中置喷雾引导分层稀薄燃烧的节油效果[4]； Kim等模拟了喷雾引导缸内混合气形成过程和燃烧的过程[5]；(2) 壁面引导利用特殊活塞形状并配合缸内气流运动把燃油传送至火花塞周围区域，在火花塞电极附近形成可燃的分层混合气。日本的三菱、丰田等公司开发的机型均采用壁面引导的燃烧系统[6]。

二冲程汽油机具有结构简单、运转平稳、机械损失少、做功密度大、升功率高及便于维修等优点[7]，被广泛的应用于摩托车、游艇、小型农用机械上。但是传统二冲程发动机扫气效率低，且在扫气过程中易产生燃油短路现象，造成燃油经济性差和未燃HC排放升高的问题。成功应用于四冲程汽油机的缸内直喷技术为解决二冲程汽油机存在的问题提供了可能的途径，为此，近年来国际上关于二冲程缸内直喷汽油机的研究报道相继出现。Markus等使用排量148cc的发动机采用传统的曲轴箱扫气方式，火花塞位于气缸的中心，喷油器偏置，当排气口接近或完全关闭时燃油开始喷射，以希望获得缸内尽可能均质的混合气，研究表明了在3000 rpm、汽油喷射压力P=4.5 MPa时发动机的燃油耗和排放得到了明显改善[8]。Beck等使用激光多普勒测速仪调查了两冲程直喷汽油机的火花塞间隙附近的混合气流动速度[9]。Nagesh等使用排量25.4 cc的二冲程汽

油机，采用进气口汽油喷射，研究了分层扫气给与发动机动力性、排放性能的影响[10]。顾维东等使用排量98cc汽油机，数值模拟了采用直喷技术后缸内的流场，表明了低速低负荷工况时适当地推迟喷油时刻将有利于分层混合气的形成[11]。李新海等对传统二冲程发动机模型进行了缸内混合气形成及燃烧的仿真模拟[12]，但检索表明文章提出的壁面引导式二冲程缸内直喷汽油机的研究还几乎未见报道。借鉴四冲程直喷汽油机的成功经验、结合二冲程汽油机的结构特征，提出了一种区别于传统的曲轴箱扫气形式的、具有弯曲活塞顶的壁面引导式二冲程直喷汽油机的分层稀薄燃烧系统。在利用纹影实验验证了采用的计算方法可行性的基础上，使用AVL Fire软件数值解析了壁面引导式二冲程直喷汽油机在在部分负荷工况时分层混合气的形成过程。

1　二冲程“壁面引导”燃烧系统

二冲程扫气方式决定了缸内的气体流动过程难以控制，不易形成理想的缸内混合气分层形态。借鉴四冲程发动机结构，在气缸盖上仅设计一个进气阀，由ECU控制自由设定进气阀开关时刻，并与缸壁上的排气口扫气时间相配合，形成直流扫气。它能够期待进一步降低低负荷时的缸内残余废气量、获得更高的扫气效率。具体为在气缸盖上仅设计一个进气阀及纵向进气道，采用旋流汽油喷油器，形成的进气滚流与燃油喷雾角度、弯曲活塞顶相配合，排气口仍在气缸下部，在压缩过程接近终了时在火花塞电极近傍形成易于着火的浓混合气，而整个燃烧室形成分层混合气的二冲程“壁面引导”燃烧系统，其原理示意图如图1所示。

图1　壁面引导式二冲程直喷发动机结构示意图

2　计算模型及模拟方法

2.1计算网格的建立

计算模型的主要参数见表1[13]。根据表1的基本结构参数，利用建模软件Pro.E建立二冲程发动机的实体模型，再将实体模型导入Fire软件进行网格划分，如图2所示。当发动机运行至压缩冲程中后期进气已经结束，气缸进气道部分已不再发挥作用，所以为了简化计算、节省时间，在扫气冲程与做功、压缩冲程采用两套不同的网格，其中，扫气冲程的网格带有进气道，做功冲程及进气终了后的压缩冲程的网格不带进气道。为提高计算准确度,对进气门附近网格进行了加密处理。活塞到达上止点时网格数为25768，活塞到达下止点时网格数为365443。

图2　壁面引导式二冲程直喷发动机计算网格模型 (a)实体模型；(b)活塞位于下止点；(c)活塞位于上止点；(d)网格剖面图

排量/cc缸径×行程/mm压缩比(有效压缩比)喷射压力/MPa进气阀直径/mm排气口宽×高/mm进气阀开/关时刻排气道开/关时刻31075×7010.1(8)53043×14.5开BBDC50°CA关ABDC75°CA开BBDC63°CA关ABDC63°CA

2.2实验验证

为验证所建模型的可行性和计算方法的正确性，建立了一套纹影可视化装置，具体为汽缸盖采用透明材料，在气缸盖上安装一个与排气口方向相反的内窥镜拍摄喷雾过程[14]，其规格参数见表2，工作原理如图3所示。在仿真模拟过程中采用与实验相同的条件，实验在转速为1700 rpm、喷射压力为5 MPa的条件下进行。得到模拟结果与实验结果进行对比分析获得最终的结论通过实验获得的图像与采用Fire软件模拟得出的结果对比图如图4所示。结果表明喷射时刻为65 °CABTDC，在燃油雾化的过程中，模拟结果与实验所获得的结果几乎完全一致，从而证明了求解器及建立模型的可行性。另利用纹影法来观察汽油的喷雾特性，在试验中使用三菱GDI发动机用高压旋流喷嘴，实验喷雾特性与模拟结果进行对比分析图如图5所示，旋流喷嘴实验结果与模拟结果的喷雾形态及贯穿距相吻合，从而验证模拟计算方法以及求解过程的正确性。

表2　实验台架参数

图3　二冲程发动机实验理图及计算模型图(a)可视化原理图；(b)计算模型

图4　二冲程发动机缸内混合气实验结果与模拟结果对比图 (a)实验结果图；(b)模拟结果图

2.3控制方程的离散化及求解方法

模拟方法应用基于体积控制的有限容积法，在离散化过程中，为求得流场压力—速度的耦合使用 SIMPLE 法。尺度方程、能量方程和湍流方程选择一阶迎风差分方式，动量方程选用MINMOD 差分方式，连续方程选用中心差分方式。代数方程组由循环迭代计算求解，在求解过程中引入松弛因子控制每个计算循环变量的更新速度以增强计算的稳定性和收敛性[15]。采用的松弛因子有：压强为0.3、动量为0.5、湍流能量为0.3、湍流消散率为0.4、能量为0.8、质量原相为1、黏性为1、标量为0.8和组分传输为0.8。

图5　喷雾特性实验结果与模拟结果图/mm (a)实验结果图；(b)模拟结果图

3　混合气形成计算结果与分析

3.1部分负荷工况下混合气形成结果比较分析

在部分负荷工况下分别解析了不同喷射时刻(70、60和50 °CA BTDC)缸内混合气的分布情况，

如图6所示。计算条件为转速4800 rpm、喷射压力5 MPa、喷射持续时间10 °CA、喷孔直径0.5 mm。

图6(a)表明在70 °CA BTDC时刻喷油时，从气缸一侧喷入缸内的喷雾在活塞顶曲面和缸内气流的引导下达了火花塞电极附近，点火时刻(25 °CA BTDC)在火花塞电极附近实现了发动机缸内分层混合气的构造，但是较浓混合气紧贴屋脊型燃烧室顶部，这使得相对冷态的汽缸壁对火焰产生的热与活化基物物质起着吸收的作用，火焰在汽缸壁表面产生激冷与淬熄现象，导致HC排放量增加，则该时刻喷油过早。图6(b)表明在喷油时刻60 °CA BTDC喷油时，喷雾在活塞顶曲面和缸内气流的引导下到达火花塞电极附近，点火时刻火花塞附近的混合气较浓，且较浓区域距燃烧室顶壁面有一定距离，这样尽可能减少了HC的排放量。较浓区域的混合气达到了理论空燃比，而整个燃烧室内的空燃比可以达到40:1，实现了较好的分层混合气构造。图6(c) 表明在喷油时刻50 °CA BTDC喷油时，喷雾虽然被活塞顶曲面和缸内气流的引导，但是由于喷油时刻较晚，没有足够的时间将燃油引导到火花塞附近并形成可燃的分层混合气，大部分燃油附着在活塞顶曲面上。综上所述，部分负荷工况时，应选择在60 °CA BTDC时刻喷油，可以在点火时刻火花塞电极附近形成可燃的分层混合气。

图6　不同负荷工况的分层混合气解析结果图(a) 喷油时刻为70 °CA BTDC时，缸内混合气形成过程；(b) 喷油时刻为60 °CA BTDC时，缸内混合气形成过程；(c) 喷油时刻为50°CA BTDC时，缸内混合气形成过程

3.2大负荷工况下混合气形成结果比较分析

发动机在大负荷工况下工作时，缸内要形成均质混合气以提供足够的动力。由于二冲程发动机一个循环两个冲程做一次功的特点，从燃油喷射到形成混合气的时间非常短，为得到均质混合气要尽可能早的喷油。但过早的喷油会导致燃油随废气从排气道排出形成短路，造成燃油的浪费和空气的污染，所以必须要严格控制喷油时刻，既不能过早喷射导致燃油从排气道中排出，又不能喷油过晚而不能形成均质的混合气导致发动机缸内燃烧不均匀甚至熄火。为此，解析了转速4800 rpm、喷射持续时间22 °CA、喷孔直径Φ=0.5 mm条件下不同喷射时刻(15、25 °CA ABDC)的混合气形成的结果如图7(a)、(b)所示。

如图7(a)所示，燃油在15 °CA ABDC时刻喷射，虽然在点火时刻(25 °CA BTDC)形成了均质混合气，但在排气道内可以明显看到有燃油排出，说明此时刻喷油过早，燃油易于随废气排出形成短路，造成燃油浪费；图7(b)表明，燃油在25°CA ABDC时刻喷射，在点火时刻形成了均质的可燃混合气且燃料没有从排气道排出。二冲程发动机喷油时刻的原则是在燃油不随废气排出的前提下越早喷射越好，在25°CA ABDC喷射时燃油已不随气流排出，所以也不必再对25 °CA ABDC后的喷射时刻进行模拟。

图7　大负荷工况的混合气解析结果图(a)喷射时刻为15 °CA ABDC时，缸内混合气形成过程；(b)喷射时刻为25 °CA ABDC时，缸内混合气形成过程

4　结论

通过上述研究可知：

(1) 提出了一种区别于传统的曲轴箱扫气形式的、具有纵向进气道和弯曲活塞顶的壁面引导式二冲程直喷汽油机的分层稀薄燃烧系统,利用验证过的数学模型对壁面引导二冲程直喷汽油机的混合气形成过程进行了分析。

(2) 部分负荷工况时，采用旋流喷油器、进行60～70 °CA BTDC汽油喷射，并接近点火时刻时，在火花塞电极附近形成了理想的分层混合气，而整个燃烧室的空燃比可达到40:1。

(3) 大负荷工况时，在25 °CA ABDC左右喷油较为合适，此时刻喷油可以形成均质的可燃混合气，且燃油不会因燃油“短路”现象直接排除造成未燃HC化合物的排放，避免了燃油的浪费和大气污染。

[1]许伯彦,张现成,徐娟,等.喷雾—壁面复合引导LPG直喷发动机混合气形成过程的数值解析[J].内燃机学报,2014,32(6):520-526.

[2]于云飞.分层稀薄燃烧LPG缸内直喷发动机燃烧过程的数值模拟[D].济南：山东建筑大学,2014.

[3]王建昕, 帅石金.汽车发动机原理[M].北京：清华大学出版社,2011.

[4]宋东先,谢 辉,王 帅,等.中置多孔喷油器喷雾引导分层燃烧节油效果研究[J].内燃机学报,2015,33(2):129-135.

[5]Sung J. K..,Young N. K. ,Je-Hyung L.. Analysis of the In-Cylinder Flow, Mixture Formation and Combustion Processes in a Spray-Guided GDI Engine[C]. 2008 World Congress & Exhibition, Warrendale:Society of Automotive Engineers, 2008.

[6]Yamamoto S.,Tanaka D.,Takemura J.,etal..Mixingcontrol and combustion in gasoline direct injection engines for reducing cold-start emissions[C]. SAE Paper, SAE 2001 World Congress & Exhibition, Warrendale: Society of Automotive Engineers, 2001.

[7]陈登.二冲程缸内直喷汽油机扫气和喷油过程的多位数值模拟[D].天津：天津大学,2005.

[8]BartoliniC.M.,CaresanaF.,VincenziG..ExperimentalAnalysisofaTwo-StrokeDirectInjectionEnginePrototype[C]. 2001SmallEngineTechnologyConferenceandExhibition,Warrendale:SocietyofAutomotiveEngineers, 2001.

[9]MarkusB.,KaiS.,ChristianD.,,et al..InvestigationoftheFlowVelocityintheSparkPlugGapofaTwo-StrokeGasolineEngineusingLaser-Doppler-Anemometry[C]. 2011Enginecombustionandemissions.Warrendale:SocietyofAutomotiveEngineers, 2011.

[10]NageshM.,SharuR.,VinayakaM.Multi-LayerStratified(MuLS)Two-StrokeEngine[C]. 2012SmallEngineTechnologyConference&Exhibition,Warrendale:SocietyofAutomotiveEngineers, 2012.

[11]顾维东,杨延相,蔡晓林,等.FAI二冲程直喷汽油机缸内流场的多维数值模拟研究[J].内燃机学报,2007, 25(2):150-156.

[12]李新海,许伯彦,张寿荣,等.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[J].车用发动机,2014,215:23-27.

[13]袁兆成.内燃机设计(第二版) [M].北京：机械工业出版社,2012.

[14]黄露,张凡,帅石金,等.甲醇与汽油混合气形成的可视化试验与数值模拟[J].车用发动机,2008,175:8-12.

[15]解茂昭.内燃机计算燃烧学( 第二版) [M].大连：大连理工大学出版社,2005.

(学科责编：吴芹)

Numerical simulation of stratified mixture formation for two-stroke engine direct injection gasoline

Sun Chaodong1, Xu Boyan，Zhang Shourong2

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China; 2. Taishan Campus, Shandong Transport Vocational College, Taian 271000, China)

Two-stroke gasoline engine has the advantages of high power density, rising power, stable operation, simple structure etc. According to the structure characteristics of the direct injection four stroke engines, the paper put forward a wall guided combustion system used in two-stroke engine which is different from traditional forms of crankcase scavenging structure. By using the schlieren experiment the feasibility of the numerical analytical method is verified. With the validation of the feasibility about calculation method in using the schlieren experiment. Stratified mixture formation in part load condition(4800r/min) for the new combustion system was numerically simulated. Simulation results show that gasoline spray forms a stable richer stratified mixture around the spark plug at the middle and later post-compression process injected in part load conditions, and the maximum global air-fuel ratio reaches 40, and the fuel wouldn’t get out of cylinder and could form a homogeneous mixture at scavenging schedule later injected in full load conditions.

two-stroke DI engine; wall guided combustion system; mixture formation; numerical simulation

2015-10-22

国家自然科学基金项目(51376113)

孙朝栋(1990-)，男，在读硕士，主要从事内燃机缸内混合气形成过程的数值模拟等方面的研究. E-mail:sunchaodong2008@163.com

*：许伯彦(1953-),男，教授，博士，主要从事内燃机燃烧与排放控制等方面的研究.E-mail:xubyyy@163.com

1673-7644(2016)02-0153-06

TK411

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