对置活塞二冲程柴油机换气子阶段完成比例研究

刘宇航， 张付军， 慕连好， 高宏力， 王苏飞

(1.北京理工大学 机械与车辆学院， 北京 100081; 2.火箭军驻济南地区军事代表室，山东 济南 250000)

0　引言

对置活塞二冲程柴油机具有高功率密度[1]、高指示热效率[2]等特点，在军用车辆[3-4]、辅助动力装置[5-6]及轻型载重车辆方面具有广泛的应用。

与传统柴油机不同，对置活塞二冲程柴油机取消了配气机构，通过横置在同一气缸中的2个活塞完成做功与换气过程。在换气过程中，进排气活塞存在相位差[7]，根据进排气口的开闭顺序，可以将整个换气过程分为自由排气阶段、扫气阶段和后充气阶段[8]。针对这种特殊结构的发动机换气过程，国外研究机构主要通过试验方法[9-11]研究了增压匹配[12-13]和发动机排放的改善[14]。国内研究目前更多是采用仿真方法对结构参数[15]、性能参数[16]、扫气效率[17]和缸内流场[18]进行设计与优化。综上所述可以看出，已有的国内外研究更多关注于整体换气过程，多用扫气效率等参数来评定换气过程，而较少关注换气过程中换气子阶段的完成情况。

本文将关注点集中在组成整个换气过程的各个子阶段。通过对某对置活塞二冲程柴油机进行研究建立其一维仿真模型，在验证模型准确性的基础上，通过缸内二氧化碳质量的变化曲线计算出该柴油机在不同换气阶段完成整个换气过程的比例。通过改变转速、进排气压差和排气背压，研究了这3种影响因素对自由排气阶段和扫气阶段换气完成比例的影响。

1　对置活塞二冲程柴油机结构参数

图1所示为对置活塞二冲程柴油机的结构示意图。图1中两个活塞被水平放置在气缸中并各自通过上连杆、摇臂和下连杆与曲轴相连。进排气口分别布置在缸套两端，通过活塞的运动来控制气口的开启和关闭。发动机的结构参数如表1所示。

2　换气过程分析

对置活塞二冲程柴油机换气过程可以分为3个阶段：自由排气阶段、扫气阶段和后充气阶段。图2为对置活塞二冲程柴油机换气过程示意图，其中：p、V分别表示缸内压力和缸内容积；进排气活塞在缸内处于最小距离时称为各自的内止点，处于最大距离时称为各自的外止点；Vi表示进排气活塞在内止点时的缸内容积；Vo表示进排气活塞在外止点时的缸内容积；a点和b点分别表示排气口的开启和关闭，c点和d点分别表示进气口的开启和关闭。整个换气过程排气口先开先闭、进气口后开后闭。a点到c点称为自由排气阶段。当排气口打开后，缸内废气在缸内高温高压作用下被排入排气腔，缸内压力迅速降低。c点到b点称为扫气阶段，进气口的打开使得新鲜空气能够进入缸内，其中一部分新鲜空气将废气置换出缸外，另一部分则发生短路，由进气口进入后直接从排气口流出。排气口的关闭(b点)标志着扫气过程的结束。b点到d点称为后充气阶段，是指排气口关闭到进气口完全关闭的时间段。此阶段通过进气腔的压力和气流流动惯性作用，将一部分新鲜空气冲入缸内，直至进气口关闭，整个换气过程(a点到d点)结束。

表1　对置活塞二冲程柴油机结构参数Tab.1　Structural parameters of OP2S diesel engine

图3所示为活塞位移曲线与换气过程示意图。图3中：横坐标-180～0 °CA为活塞向外止点运动，0～180 °CA为活塞向内止点运动；-78～-54 °CA为自由排气阶段，-54～65 °CA为扫气阶段，65～68 °CA为后充气阶段；自由排气阶段持续24 °CA，扫气阶段持续119 °CA，后充气阶段持续3 °CA.

3　一维模型建立与验证

3.1　一维模型

通过三维计算方法模拟对置活塞二冲程柴油机换气过程，采用发动机工作过程模拟GT-Power软件建立对置活塞二冲程柴油机的一维仿真模型[19]，如图4所示。模型中包括增压系统、中冷系统和对置活塞二冲程柴油机系统以及进排气压差控制单元、发动机功率控制单元和排气背压控制单元。增压器选择Rotrex C38型号，最大折合流量为0.63 kg/s，叶轮最高转速为90 000 r/min. 功率控制单元通过控制喷油器喷入缸内的燃油质量实现对柴油机功率的控制。进排气压力控制单元通过压气机转速来调节进排气压差。排气腔压力控制单元通过控制旁通阀的开度来实现对排气背压的调节。

3.2　一维模型计算结果

对置活塞二冲程发动机换气过程参数主要有给气比、捕获率和扫气效率[8]。给气比与捕获率、扫气效率的关系曲线称为扫气特性曲线，是对置活塞二冲程发动机换气过程的重要评价曲线[20]。设定一维模型中的进排气压差控制单元进排气压差范围为0.006～0.041 MPa，选取间隔为0.005 MPa，边界条件如表2所示，通过以上数据可计算得到不同进排气压差Δp情况下的给气比、捕获率和扫气效率。仿真所得到的扫气特性曲线如图5和图6所示。

表2　一维模型仿真边界条件Tab.2　Simulation boundary conditions of OP2S diesel engine 1-D model

3.3　模型验证

示踪气体法是得到对置活塞二冲程发动机扫气特性的常用试验方法。试验装置示意图如图7所示。以甲烷作为示踪气体，在进气道中注入，通过比较进气腔与排气腔中甲烷摩尔质量的变化来计算出给气比与捕获率、扫气效率的关系[19]，所得结果如图8和图9所示。从图8和图9可以看出，试验数据点与仿真所得曲线的变化趋势一致、二者吻合良好。

4　换气阶段完成比例计算方法

如表2所示，设定空燃比为20，由于空气中二氧化碳的含量较少，在这种情况下，缸内二氧化碳的来源可以认为都是燃料燃烧所产生的。因此，当换气过程开始后，可以通过缸内二氧化碳质量的变化表示不同换气阶段在整个换气过程中的完成比例。缸内气体质量曲线和缸内二氧化碳质量百分比曲线可由GT-Power软件直接得到，如图10(a)和图10(b)所示。每隔0.4 °CA读取上述两曲线的数据并相乘，可得到缸内二氧化碳质量曲线，如图10(c)所示。

由图10(a)可知，在自由排气阶段，缸内捕获的气体质量明显下降。扫气阶段开始后，由于进气口截面积逐渐增大，初期进入气缸的新鲜空气较少，曲线仍会出现一定程度的下降。当进气口开启截面逐渐增大后，曲线开始逐渐上升。由于后充气阶段时间很短，曲线并没有出现明显波动。由图10(b)可知，自由排气阶段缸内二氧化碳质量百分比曲线持平，这是因为此阶段没有新鲜空气进入气缸。扫气阶段开始后，由于新鲜空气对缸内气体的置换作用，曲线出现下降并在结束时刻趋于0. 由图10(c)可见，扫气过程开始阶段曲线出现了波动现象，这主要是因为扫气口刚开启时，有部分缸内废气倒流进入进气腔，并在随后的扫气过程中重新进入气缸。

定义不同换气子阶段的完成比例如(1)式所示，由此可以得到不同换气子阶段在整个换气过程中完成的比例，如图11所示。由图11可见，自由排气阶段在整个换气过程中的完成比例最大(64.42%)，其次为扫气阶段(35.57%)，后充气阶段最小(0.01%)。这说明虽然自由排气阶段的时间较短，但是在整个换气过程中的作用较为重要。

(1)

式中：δr为换气子阶段完成比例；Δmi为不同换气子阶段缸内二氧化碳质量变化(i=1，2，3分别表示自由排气阶段、扫气阶段和后充气阶段)；Δma为整个换气过程缸内二氧化碳质量变化。

虽然完整的换气过程分为自由排气、扫气和后充气3个子阶段，但是由于本文所研究的柴油机后充气阶段十分短暂，后文中暂不对后充气阶段进行讨论。

5　不同参数对换气阶段影响分析

5.1　不同工况对换气参数的影响

由于发动机的用途十分广泛且运行条件较为复杂，在工作过程中将面临多种不同的运行工况，反映在发动机本身即为转速和负荷的变化，而转速和负荷的变化同时也会影响发动机进排气压差和排气背压等换气参数。因此，需要明确不同工况对换气参数的影响规律。

本文研究的对置活塞二冲程发动机采用串联复合增压方式。Rotrex C38型号机械增压内置的1级升速比为7.5，2级升速通过连接驱动电机实现。当2级升速比固定为4.7时，不同转速下进气压力和排气压力的关系如图12所示。

通过图12可以看出，随着发动机转速的升高，进排气压力都呈现增大趋势。进气压力的升高主要是由于发动机转速的增加使得机械增压器的转速提升，提供了更多的进气流量，从而导致进气管压力增加，使换气过程结束后有更多的气体流入排气管中，因此排气管压力同样会呈现增加趋势。进排气压差随着发动机转速的增加呈现增加趋势，这主要是由于排气背压的提升使涡轮增压器叶轮端提供了更高的进气压力。

柴油机在大负荷工况下喷入缸内的油量较大，反之则较小，可以通过缸内空燃比衡量柴油机工作负荷的大小。在1 200 r/min转速下，设定空燃比范围为20～50，以间隔5取值进行计算，得到不同空燃比对换气参数的影响，如图13所示。

由图13可知，随着空燃比的增加，进排气压力逐渐减小，同时进排气压差也逐渐减小。由于空燃比较小，喷入缸内的燃油较多，则做功行程后缸内温度压力较高，进入排气管中的气体动能也较大，涡轮增压器涡轮端接收的能量增加，因此涡轮端也能提供更高的进气压力，进排气压差也会较大。因此，当空燃比较小时，进排气压力较大，进排气压差也较大。

5.2　转速对换气阶段的影响

转速是影响换气过程最重要的因素之一。当发动机转速升高时，换气时间相应缩短。由于二冲程发动机的进气与排气是同时完成的，转速的提升对于二冲程发动机换气过程的影响更为关键。图14所示为保持压差、背压和空燃比不变情况下，不同转速时各换气阶段的完成比例。

由图14可知，随着转速的升高，自由排气阶段在整个换气过程中的完成比例逐渐降低，扫气阶段的完成比例逐渐升高。这主要是因为随着发动机转速的升高，换气时间逐渐减少，自由排气阶段的时间也相对减少，在此期间排出气缸的废气质量减少，因此完成比例也随之减小，扫气阶段在整个换气过程中所需完成的比例增加。

5.3　进排气压差对换气阶段的影响

保持转速为1 200 r/min、排气背压为0.18 MPa、空燃比为20，进排气压差取值范围为0.005～0.013 MPa，每隔0.002 MPa取值进行计算，得到进排气压差对不同换气子阶段完成比例的影响规律，如图15所示。

由图15可知，随着进排气压差的提高，自由排气阶段在整个换气过程中的完成比例不断减小，扫气阶段的完成比例不断增加。这主要是因为保持排气背压不变情况下，进排气压差的增加意味着进气压力的不断增加。在自由排气阶段，只有排气口开启且排气腔压力不变，表示废气排出气缸的环境压力不变；转速不变，表示自由排气阶段的持续时间也不变，因此在自由排气阶段排出气缸的缸内二氧化碳质量变化应较小。与此同时，进排气压力的增加会增加柴油机在扫气过程中新鲜空气置换缸内废气的能力，在相同转速情况下，进排气压差越大，扫气阶段能够置换出缸内二氧化碳的质量就越多。因此，提高进排气压差会使扫气阶段在整个换气过程中的完成比例上升。但总体上看，进排气压差的变化对各阶段完成比例的影响较小。

5.4　排气背压对换气阶段的影响

保持压差为0.013 MPa、转速为1 200 r/min，排气背压选取范围0.15～0.2 MPa，每隔0.01 MPa取值进行计算，可得到排气背压对各个换气子阶段完成比例的影响规律，如图16所示。

由图16可知，随着排气背压的增加，自由排气阶段的完成比例有所增加，扫气阶段的完成比例有所降低，但是变化的趋势并不明显。这说明排气背压的变化对各个换气阶段的影响并不明显。由图17可知，虽然排气背压的变化对换气子阶段完成比例的影响较小，但是随着排气背压的增加，缸内二氧化碳质量曲线呈现整体上移的趋势，且曲线最大值与最小值都有不同程度的增加。缸内二氧化碳质量最大值的增加，说明排气背压有助于二冲程发动机换气过程中缸内气体的封存，在同样的空燃比情况下，燃料燃烧后留在缸内的二氧化碳质量更高。缸内二氧化碳质量最小值的增加，说明排气背压的增加同样会使得发动机换气过程更加困难，在同样压差情况下，排气背压高，缸内残余的二氧化碳质量会更多。图17中所有曲线的整体变化趋势相同，表明虽然在各个换气子阶段开始时刻缸内二氧化碳质量不尽相同，但是各个换气子阶段的缸内二氧化碳变化量与整个换气过程中缸内二氧化碳变化量的比值变化不大，这也同时解释了排气背压的改变对换气子阶段完成比例影响不明显的原因。

6　结论

1)在对置活塞二冲程柴油机的自由排气、扫气和后充气阶段，可以通过缸内二氧化碳质量的变化计算不同换气子阶段在整个换气过程中的完成比例。

2)本文所研究的对置活塞二冲程柴油机在转速为1 200 r/min、进排气压差为0.013 MPa、背压为0.18 MPa情况下，自由排气阶段、扫气阶段和后充气阶段在整个换气过程中的完成比例分别为64.42%、35.57%和0.01%. 虽然自由排气阶段相对于扫气阶段时间较短，但是在整个换气过程中的完成比例较高。

3)转速的提高会使自由排气阶段的完成比例降低，扫气阶段的完成比例升高；压差的影响规律与转速的影响规律有相似的效果，但影响幅度相对较小；排气背压的增加不会对各排气阶段的完成比例产生影响，但是会使缸内的二氧化碳质量增加。

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