雙對置二沖程柴油機掃氣過程的進氣口結構影響規律

鄒玉紅,盧勇,裴普成,李鵬程,徐廣輝,郝勇剛,劉長振

(1.清華大學汽車工程系,100084,北京;2.清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室,100084,北京; 3.中國北方發動機研究所,300000,天津)

?

雙對置二沖程柴油機掃氣過程的進氣口結構影響規律

鄒玉紅1,2,盧勇1,2,裴普成1,2,李鵬程1,2,徐廣輝3,郝勇剛3,劉長振3

(1.清華大學汽車工程系,100084,北京;2.清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室,100084,北京; 3.中國北方發動機研究所,300000,天津)

針對對置活塞、對置汽缸(OPOC)柴油機的結構特點,基于ANSYS Fluent軟件對一款典型的OPOC柴油機掃氣過程建立了三維仿真模型,模型主要涉及柴油機進氣道和進氣口部分、排氣道和排氣口部分以及內、外活塞之間的氣缸部分,由此研究了進氣口結構對雙對置內燃機掃氣過程的影響規律。研究結果表明:當渦流排高度比從0.37增大到0.63時,進氣口面積隨之減小,進氣量減少,掃氣效率下降;當渦流排高度比為0.5時,渦流排徑向傾角由8°增大到40°,缸內渦流比和實際進氣量均隨之增大,渦流排傾角為34°時缸內渦流比和實際進氣量達到最大且掃氣過程最為理想。該結果可為二沖程柴油機的動力性、經濟性和排放性研究提供參考。

對置活塞對置汽缸;掃氣過程;進氣口結構

雙對置二沖程(opposed piston opposed cylinder,OPOC)柴油機采用了對置活塞、對置氣缸的新結構[1],如圖1所示,其功率密度較高,可達2 kW/kg[2],結構簡單且同時能夠實現模塊化設計[3],作為重型卡車發動機[1]、無人機動力及部分商業、軍用的輔助動力單元[4]具有良好的發展前景。

圖1 雙對置二沖程柴油機單組模塊結構圖

掃氣過程的優劣直接影響著二沖程發動機的動力性、經濟性和排放性[5-7],OPOC柴油機也不例外[8]。為了改善掃氣過程,OPOC柴油機一般在進氣口處布置兩排,即渦流排和直流排掃氣口,如圖2所示。渦流排掃氣口在前,直流排掃氣口在后,兩排掃氣口可以使得進入氣缸的新鮮充量一邊繞氣缸軸線旋轉,一邊沿氣缸軸線向前推進,從而實現直流掃氣。這種換氣方式可較好地避免新鮮充量與廢氣的相互摻混,有效提高OPOC柴油機的換氣性能。

(a)進氣道 (b)渦流排 (c)直流排圖2 OPOC柴油機進氣道及渦流排、直流排結構

掃氣過程是OPOC柴油機的研究熱點之一。OPOC柴油機的氣口高度和位置決定了發動機的配氣正時。受結構因素的影響,氣口高度越大,有效壓縮比和有效膨脹比越小[9]。Hofbauer研究了OPOC柴油機在不同轉速下氣口高度對掃氣過程的影響[1],認為氣口高度需要根據發動機轉速工況進行優化。Kalkstein等人通過一維仿真研究了同一工況下不同高度的進、排氣口,并確定了最優的排氣口高度[4]。Peng等人通過三維計算流體動力學(CFD)仿真研究了OPOC發動機進、排氣口高度對掃氣效率、新鮮充量捕集率的影響[10]。

除了進、排氣口高度以外,渦流排和直流排的高度分配比例(簡稱渦流排高度比R)和渦流排的角度同樣對OPOC柴油機的掃氣過程有著重要影響。渦流排的徑向傾角能夠讓進氣產生渦流,傾角越大,產生的渦流越強[11]。渦流過小,尚不足以形成有效的掃氣面;反之,渦流過大,新鮮空氣主要沿壁面運動,將廢氣包圍在渦流中心,這樣掃氣效果也不理想。渦流排高度比越大,則渦流排產生渦流的作用越明顯;反之,直流排向前推進的作用越明顯。本文采用ANSYS Fluent軟件對OPOC柴油機建立了三維CFD仿真模型。在進氣口總高度不變的情況下,采用該模型分別研究了渦流排高度比和渦流排徑向傾角對OPOC柴油機掃氣效率和給氣比的影響規律。

1 仿真模型

1.1 計算模型

本文研究的OPOC柴油機進、排氣道以及缸內流場結構如圖3a所示,在Gambit軟件中建立的網格尺寸為2 mm的網格模型如圖3b所示。進氣道和進氣口、排氣道和排氣口均采用以四面體網格為主的四面體/混合網格,內、外活塞之間的氣缸采用以六面體網格為主的六面體/楔形網格。進氣道入口邊界為壓力入口,排氣道出口邊界為壓力出口。OPOC柴油機掃氣過程的三維CFD仿真的湍流模型選擇標準k-ε模型。

(a)進、排氣流場模型 (b)計算網格 圖3 雙對置二沖程柴油機

1.2 模型驗證

采用雙對置二沖程柴油機氣道穩流實驗的入口流量數據對Fluent中建立的三維CFD模型進行了驗證。仿真模型的邊界條件與穩流實驗相同,如表1所示。仿真結果與實驗數據的對比如圖4所示。進氣口進氣流量隨氣口開度的增大而增大,由于直流排與渦流排之間存在非流通截面,所以流量的增加出現了一小段平臺期。由圖4可見,計算值與實驗值吻合較好,表明該模型可用于后續研究。

表1 氣道穩流實驗邊界條件

圖4 氣道穩流入口流量實驗值與仿真值對比

2 渦流排高度比對掃氣過程的影響

渦流排高度比的計算式如下

式中:h1為渦流排高度;h2為直流排高度。渦流排、直流排氣口高度示意如圖5所示。

圖5 渦流排、直流排氣口高度示意圖

本節中除了渦流排高度比以外,其他參數保持不變,其中進氣口總高度(直流排高度與渦流排高度之和)為15 mm,渦流排徑向傾角為8°,發動機的轉速為3 200 r/min且功率為157.4 kW。CFD仿真計算起始曲軸轉角為60°,邊界條件由GT-Power一維仿真模擬計算所得,如表2所示。

表2 影響渦流排高度比的邊界條件

2.1 掃氣過程性能參數

圖6 渦流排高度比對進氣口面積、進氣量的影響

進氣量是指進氣口關閉、換氣結束時氣缸內的新鮮充量的多少,其對OPOC柴油機的性能有較大影響。渦流排高度比從0.37增加到0.63時,進氣量、掃氣效率和給氣比都隨之變化。同樣高度的渦流排、直流排進氣口,直流排進氣口面積更大,因此隨著渦流排高度比的增大,進氣口面積(直流排進氣口面積與渦流排進氣口面積之和)幾乎線性減小,這進一步導致進氣量減少,如圖6所示。渦流排高度比小于0.5時,進氣量減少的規律與進氣口面積一致;高度比為0.5時,進氣量減少最為緩慢;高度比大于0.5時,進氣量減少得較進氣口面積減小得快。其原因是:渦流排高度比較小時,氣流軸向移動速度慢,部分氣體沿徑向移動,因此進氣量減少的速度得到了控制;渦流比較大時,氣流軸向移動速度較慢,缸內新鮮充量受到了影響。

掃氣效率為掃氣結束后缸內新鮮空氣質量與缸內氣體總質量的比值。掃氣效率越大,掃氣效果越好。給氣比是每次循環通過掃氣口的新鮮空氣質量與在進氣狀態下充滿氣缸總容積的理論空氣質量之比。給氣比越大,耗氣量越多,增壓器消耗功率多,發動機功率下降。理想的掃氣過程是在消耗盡可能少的機械功的前提下,獲得了最大的新鮮充量,即給氣比盡可能小,而掃氣效率最大。

當渦流排高度比增加,其他參數保持不變時,由于進氣口截面積減小,所以OPOC柴油機的掃氣效率減小,給氣比降低,如圖7所示。雖然掃氣效率和給氣比同時下降,但是可以明顯地看到,渦流排高度比為0.5時給氣比下降幅度較大,相對而言,掃氣效率減小得較為緩慢。這說明在該工況下,掃氣過程消耗的新鮮空氣大幅減少,掃氣效率卻變化不大,依然能達到較好的掃氣效果,該結果有進一步研究的價值。

圖7 渦流排高度比對掃氣效率、給氣比的影響

2.2 渦流比

則

式中:n為橫截面上網格單元個數;Vi為網格單元體積;ρi為密度;ri為網點單元在橫截面上的位置矢量;

νi為節點在橫截面上的速度矢量。橫截面上第i個網格單元的坐標為(xi,yi,zi),速度坐標為(vxi,vyi,vzi)。模型中活塞沿x軸運動,那么ri=(yi,zi),νi=(vyi,vzi),則有

圖8 渦流排高度比對渦流比的影響

2.3 缸內流場分布

殘余廢氣的分布可以用來評價二沖程發動機換氣過程。渦流排高度比增加,進氣口面積減小導致進氣量降低,但缸內渦流增強,因此氣流逐漸集中于氣缸軸線處,形成了掃氣面,且有效地清除了缸壁附近的廢氣,如圖9所示。綜上所述,渦流排高度比增大導致掃氣效率下降的原因是進氣量減少。此外,增強進氣渦流對掃氣過程是有利的,也可進一步嘗試改變渦流排徑向傾角進行研究。

圖9 曲軸轉角為187.5°時不同渦流排高度比下缸內殘余廢氣分布

3 渦流排徑向傾角對掃氣過程的影響

渦流排徑向傾角是指渦流排氣口的進氣方向與氣缸直徑的夾角,如圖10所示,它的作用是產生進氣渦流。由于本文僅研究徑向傾角的變化,所以下文中統稱傾角。渦流排高度比保持0.5不變,通過逐漸增大渦流排傾角來分析OPOC柴油機掃氣過程的變化規律。

3.1 掃氣過程性能參數

渦流排傾角增大,進氣口面積微弱減小,進氣量先減后增且在34°傾角下達到最大值,如圖11所示。因此,進氣量并不簡單地與進氣口面積呈正比關系。傾角的增加,大大增加了缸內新鮮充量,尤其是從18°到23°,進氣量顯著升高,該曲線斜率非常大。由此可見,缸內流場的形式對OPOC柴油機掃氣過程的影響很大。

圖10 渦流排傾角示意

圖11 進氣量、進氣口面積隨渦流排傾角的變化

掃氣效率和給氣比隨渦流排傾角的變化如圖12所示。從圖中可以看出,OPOC柴油機的掃氣性能隨著渦流排傾角的增大而提升,隨著渦流排傾角的增加,掃氣效率提高的同時給氣比下降。當傾角從8°增加到13°時,掃氣效率略微下降,這是因為此時的進氣量略有減少。渦流排傾角增大到18°,掃氣效率基本呈線性上升,同時給氣比幾乎直線下降。

圖12 渦流排傾角對掃氣效率、給氣比的影響

3.2 渦流比

渦流排傾角增大,進氣渦流增強,渦流比升高,如圖13所示。34°傾角時渦流比達到最大值,此時進氣量最大。繼續增大傾角,渦流比開始降低,進氣量減少。然而,渦流比從最大值4.15回落到3.86,掃氣效率依然升高。其原因是渦流比減小是渦流排傾角增大導致的,渦流的轉速雖然有所降低,但此時掃氣面增大保證了較好的掃氣效果。

圖13 渦流排傾角對渦流比、掃氣效率的影響

3.3 缸內流場分布

圖14 曲軸轉角為187.5°時不同渦流排傾角下缸內殘余廢氣分布

渦流排傾角增加,換氣質量提升,主要原因是缸內形成了有效的進氣渦流。傾角較小時,渦流較弱,氣缸壁面周圍的廢氣無法清除干凈,如圖14a所示。傾角增大到23°時,缸內渦流增強,缸壁附近的殘余廢氣較少,如圖14b所示。傾角為40°時,氣流一邊繞氣缸軸線旋轉,一邊向前推進,由于此時的渦流較強,掃氣面基本充滿氣缸橫截面,新鮮充量沿缸壁運動,有小部分廢氣被包裹在氣缸中心,如圖14c所示。那么,可以推測,如果繼續增大渦流排傾角,包裹在氣缸中心的廢氣將增多,它會導致進氣氣流短路損失增加,掃氣效率下降,給氣比增加,這對掃氣過程是不利的。

由圖14還可知,增大渦流排傾角能更有效地掃除缸內殘余廢氣,但是進氣氣流的軸向移動速度略有降低。3.1節中缸內新鮮充量在傾角為40°時有所減少的結論,在此得到了解釋。由于掃氣過程進行得良好,缸內殘余廢氣大大減少,所以掃氣效率依然增大。

4 結 論

本文利用ANSYSFluent軟件建立了雙對置二沖程柴油機掃氣過程的三維仿真模型,分析了渦流排高度比和渦流排傾角對掃氣過程的影響,并得到如下結論:

(1)增大渦流排高度比,缸內渦流比有所增加,但此時進氣口面積減小的幅度較大,進氣量下降,從而導致掃氣效率下降;

(2)增大渦流排傾角,渦流比和掃氣面隨之增大,雙對置二沖程柴油機掃氣過程的掃氣效率升高,給氣比下降,掃氣效率可達96%以上;

(3)OPOC柴油機在掃氣結束時缸內的新鮮空氣質量并不是簡單地隨著掃氣效率的增加而增大,渦流排傾角為40°時的掃氣效率比傾角為34°時增加了0.42%,但是34°傾角下的進氣量更多,因此在本文研究工況下傾角為34°時的換氣質量更好;

(4)通過改變渦流排高度比和傾角都能組織進氣渦流,但是傾角對進氣渦流的影響要大于氣口高度,在其他參數相同的情況下,渦流比越大,換氣質量越好。

[1] HOFBAUER P. Opposed piston opposed cylinder (OPOC) engine for military ground vehicles [M]. Washington, DC, USA: SAE, 2005.

[2] 陳文婷, 諸葛偉林, 張揚軍, 等. 雙對置二沖程柴油機掃氣過程仿真研究 [J]. 航空動力學報, 2010(6): 1322-1326. CHEN Wenting, ZHUGE Weilin, ZHANG Yangjun, et al. Simulation on the scavenging process of the opposite two-stroke diesel engine [J]. Journal of Aerospace Power, 2010(6): 1322-1326.

[3] 高翔. 雙對置柴油機換氣過程數值模擬研究 [D]. 太原: 中北大學, 2013.

[4] KALKSTEIN J, R?VER W, CAMPBELL B, et al. Opposed piston opposed cylinder (OPOCTM) 5/10 kW heavy fuel engine for UAVs and APUs [M]. Washington, DC, USA: SAE, 2006.

[5] 章振宇, 趙振峰, 張付軍, 等. 對置二沖程柴油機掃氣口參數對掃氣過程的影響 [J]. 內燃機工程, 2014(5): 119-124. ZHANG Zhenyu, ZHAO Zhenfeng, ZHANG Fujun, et al. Study on the influence of scavenging port parameters on the scavenging process on an opposed-piston two-stroke diesel engine [J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2014(5): 119-124.

[6] 夏孝朗. 新型二沖程柴油機性能研發關鍵技術研究 [D]. 長沙: 湖南大學, 2013.

[7] PENG L, TUSINEAN A, HOFBAUER P, et al. Development of a compact and efficient truck APU [M]. Washington, DC, USA: SAE, 2005.

[8] 裴玉姣. 對置活塞式二沖程柴油機直流掃氣過程仿真分析及優化 [D]. 太原: 中北大學, 2013.

[本刊相關文獻鏈接]

高忠權,李春艷,藺子雨,等.采用離子電流法的甲醇發動機失火診斷.2015,49(11):44-48.[doi:10.7652/xjtuxb201511 008]

魏衍舉,王坤,李東華,等.柴油重質組分對有機可溶物中烷烴成分及其分布的影響.2014,48(11):15-19.[doi:10.7652/xjtuxb201411003]

趙玉偉,汪映,雷雄,等.預混均質充量壓縮燃燒發動機燃燒與排放特性.2014,48(7):23-28.[doi:10.7652/xjtuxb201407 005]

楊博,劉亦夫,尉星,等.雙燃料發動機電控單元的設計與控制策略.2014,48(5):8-14+26.[doi:10.7652/xjtuxb2014 05002]

周磊,寧小康,鄭瑜,等.含氧燃料添加對引燃式天然氣發動機細顆粒排放的影響.2014,48(1):19-24.[doi:DOI:10.7652/xjtuxb201401004]

盛新堂,黃瑾,王小榮,等.自然吸氣二甲醚發動機排氣再循環NOx滿足國Ⅳ、Ⅴ排放標準的研究.2013,47(7):18-22.[doi:10.7652/xjtuxb201307004]

(編輯 苗凌)

Influence of Intake Port Structure on Opposed Piston Opposed Cylinder Two-Stroke Diesel Engine Scavenging Process

ZOU Yuhong1,2,LU Yong1,2,PEI Pucheng1,2,LI Pengcheng1,2,XU Guanghui3, HAO Yonggang3,LIU Changzhen3

(1. Department of Automotive Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 3. China North Engine Research Institute, Tianjin 300000, China)

Allowing for the unique structure of opposed piston opposed cylinder (OPOC) diesel engine, a 3D simulation model of a typical OPOC diesel engine was established with ANSYS Fluent software to investigate the influence of intake port structure on the scavenging process. The simulation model mainly includes intake and exhaust ports, inlet, outlet, and cylinder between the opposed pistons. The simulation shows that with the increase of port height-ratio of swirl row from 0.37 to 0.63, the area of intake port decreases leading to reduced intake air. As a result, the scavenging efficiency decreases. When the port height-ratio of swirl row reaches 0.5, swirl ratio and actual air input of cylinder increases with the port tangential angle of swirl row raising from 8° to 40° and achieve the maximum at 34° tangential angle, which is an ideal scavenging process for this OPOC engine. This result provides a reference for the further research on power performance, fuel economy, and exhaust for the OPOC diesel engine.

opposed piston opposed cylinder; scavenging process; intake port structure

2015-03-13。 作者簡介:鄒玉紅(1990—),女,碩士生;裴普成(通信作者),男,教授。 基金項目:國家自然科學基金資助項目(51176082)。

時間:2015-10-23

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151023.1106.014.html

10.7652/xjtuxb201601008

TK411.2

A

0253-987X(2016)01-0047-06