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(xué)汽車工程系,100084,北京;2.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100084,北京; 3.中國北方發(fā)動機(jī)研究所,300000,天津)

?

雙對置二沖程柴油機(jī)掃氣過程的進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)影響規(guī)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(xué)汽車工程系,100084,北京;2.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,100084,北京; 3.中國北方發(fā)動機(jī)研究所,300000,天津)

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

對置活塞對置汽缸;掃氣過程;進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)

雙對置二沖程(opposed piston opposed cylinder,OPOC)柴油機(jī)采用了對置活塞、對置氣缸的新結(jié)構(gòu)[1],如圖1所示,其功率密度較高,可達(dá)2 kW/kg[2],結(jié)構(gòu)簡單且同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)[3],作為重型卡車發(fā)動機(jī)[1]、無人機(jī)動力及部分商業(yè)、軍用的輔助動力單元[4]具有良好的發(fā)展前景。

圖1 雙對置二沖程柴油機(jī)單組模塊結(jié)構(gòu)圖

掃氣過程的優(yōu)劣直接影響著二沖程發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性[5-7],OPOC柴油機(jī)也不例外[8]。為了改善掃氣過程,OPOC柴油機(jī)一般在進(jìn)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(jìn)入氣缸的新鮮充量一邊繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn),一邊沿氣缸軸線向前推進(jìn),從而實(shí)現(xiàn)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(jī)的換氣性能。

(a)進(jìn)氣道 (b)渦流排 (c)直流排圖2 OPOC柴油機(jī)進(jìn)氣道及渦流排、直流排結(jié)構(gòu)

掃氣過程是OPOC柴油機(jī)的研究熱點(diǎn)之一。OPOC柴油機(jī)的氣口高度和位置決定了發(fā)動機(jī)的配氣正時(shí)。受結(jié)構(gòu)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(jī)在不同轉(zhuǎn)速下氣口高度對掃氣過程的影響[1],認(rèn)為氣口高度需要根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速工況進(jìn)行優(yōu)化。Kalkstein等人通過一維仿真研究了同一工況下不同高度的進(jìn)、排氣口,并確定了最優(yōu)的排氣口高度[4]。Peng等人通過三維計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)仿真研究了OPOC發(fā)動機(jī)進(jìn)、排氣口高度對掃氣效率、新鮮充量捕集率的影響[10]。

除了進(jìn)、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(jī)的掃氣過程有著重要影響。渦流排的徑向傾角能夠讓進(jìn)氣產(chǎn)生渦流,傾角越大,產(chǎn)生的渦流越強(qiáng)[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(yùn)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(chǎn)生渦流的作用越明顯;反之,直流排向前推進(jìn)的作用越明顯。本文采用ANSYS Fluent軟件對OPOC柴油機(jī)建立了三維CFD仿真模型。在進(jìn)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(jī)掃氣效率和給氣比的影響規(guī)律。

1 仿真模型

1.1 計(jì)算模型

本文研究的OPOC柴油機(jī)進(jìn)、排氣道以及缸內(nèi)流場結(jié)構(gòu)如圖3a所示,在Gambit軟件中建立的網(wǎng)格尺寸為2 mm的網(wǎng)格模型如圖3b所示。進(jìn)氣道和進(jìn)氣口、排氣道和排氣口均采用以四面體網(wǎng)格為主的四面體/混合網(wǎng)格,內(nèi)、外活塞之間的氣缸采用以六面體網(wǎng)格為主的六面體/楔形網(wǎng)格。進(jìn)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(jī)掃氣過程的三維CFD仿真的湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

(a)進(jìn)、排氣流場模型 (b)計(jì)算網(wǎng)格 圖3 雙對置二沖程柴油機(jī)

1.2 模型驗(yàn)證

采用雙對置二沖程柴油機(jī)氣道穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)的入口流量數(shù)據(jù)對Fluent中建立的三維CFD模型進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真模型的邊界條件與穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)相同,如表1所示。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比如圖4所示。進(jìn)氣口進(jìn)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(xiàn)了一小段平臺期。由圖4可見,計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好,表明該模型可用于后續(xù)研究。

表1 氣道穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)邊界條件

圖4 氣道穩(wěn)流入口流量實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jié)中除了渦流排高度比以外,其他參數(shù)保持不變,其中進(jìn)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(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速為3 200 r/min且功率為157.4 kW。CFD仿真計(jì)算起始曲軸轉(zhuǎn)角為60°,邊界條件由GT-Power一維仿真模擬計(jì)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(shù)

圖6 渦流排高度比對進(jìn)氣口面積、進(jìn)氣量的影響

進(jìn)氣量是指進(jìn)氣口關(guān)閉、換氣結(jié)束時(shí)氣缸內(nèi)的新鮮充量的多少,其對OPOC柴油機(jī)的性能有較大影響。渦流排高度比從0.37增加到0.63時(shí),進(jìn)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(jìn)氣口,直流排進(jìn)氣口面積更大,因此隨著渦流排高度比的增大,進(jìn)氣口面積(直流排進(jìn)氣口面積與渦流排進(jìn)氣口面積之和)幾乎線性減小,這進(jìn)一步導(dǎo)致進(jìn)氣量減少,如圖6所示。渦流排高度比小于0.5時(shí),進(jìn)氣量減少的規(guī)律與進(jìn)氣口面積一致;高度比為0.5時(shí),進(jìn)氣量減少最為緩慢;高度比大于0.5時(shí),進(jìn)氣量減少得較進(jìn)氣口面積減小得快。其原因是:渦流排高度比較小時(shí),氣流軸向移動速度慢,部分氣體沿徑向移動,因此進(jìn)氣量減少的速度得到了控制;渦流比較大時(shí),氣流軸向移動速度較慢,缸內(nèi)新鮮充量受到了影響。

掃氣效率為掃氣結(jié)束后缸內(nèi)新鮮空氣質(zhì)量與缸內(nèi)氣體總質(zhì)量的比值。掃氣效率越大,掃氣效果越好。給氣比是每次循環(huán)通過掃氣口的新鮮空氣質(zhì)量與在進(jìn)氣狀態(tài)下充滿氣缸總?cè)莘e的理論空氣質(zhì)量之比。給氣比越大,耗氣量越多,增壓器消耗功率多,發(fā)動機(jī)功率下降。理想的掃氣過程是在消耗盡可能少的機(jī)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(dāng)渦流排高度比增加,其他參數(shù)保持不變時(shí),由于進(jìn)氣口截面積減小,所以O(shè)POC柴油機(jī)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(shí)下降,但是可以明顯地看到,渦流排高度比為0.5時(shí)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(dá)到較好的掃氣效果,該結(jié)果有進(jìn)一步研究的價(jià)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(wǎng)格單元個(gè)數(shù);Vi為網(wǎng)格單元體積;ρi為密度;ri為網(wǎng)點(diǎn)單元在橫截面上的位置矢量;

νi為節(jié)點(diǎn)在橫截面上的速度矢量。橫截面上第i個(gè)網(wǎng)格單元的坐標(biāo)為(xi,yi,zi),速度坐標(biāo)為(vxi,vyi,vzi)。模型中活塞沿x軸運(yùn)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(nèi)流場分布

殘余廢氣的分布可以用來評價(jià)二沖程發(fā)動機(jī)換氣過程。渦流排高度比增加,進(jìn)氣口面積減小導(dǎo)致進(jìn)氣量降低,但缸內(nèi)渦流增強(qiáng),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(dǎo)致掃氣效率下降的原因是進(jìn)氣量減少。此外,增強(qiáng)進(jìn)氣渦流對掃氣過程是有利的,也可進(jìn)一步嘗試改變渦流排徑向傾角進(jìn)行研究。

圖9 曲軸轉(zhuǎn)角為187.5°時(shí)不同渦流排高度比下缸內(nèi)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(jìn)氣方向與氣缸直徑的夾角,如圖10所示,它的作用是產(chǎn)生進(jìn)氣渦流。由于本文僅研究徑向傾角的變化,所以下文中統(tǒng)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(jī)掃氣過程的變化規(guī)律。

3.1 掃氣過程性能參數(shù)

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

圖10 渦流排傾角示意

圖11 進(jìn)氣量、進(jìn)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(jī)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(shí)給氣比下降。當(dāng)傾角從8°增加到13°時(shí),掃氣效率略微下降,這是因?yàn)榇藭r(shí)的進(jìn)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(shí)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(jìn)氣渦流增強(qiáng),渦流比升高,如圖13所示。34°傾角時(shí)渦流比達(dá)到最大值,此時(shí)進(jìn)氣量最大。繼續(xù)增大傾角,渦流比開始降低,進(jìn)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(dǎo)致的,渦流的轉(zhuǎn)速雖然有所降低,但此時(shí)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(nèi)流場分布

圖14 曲軸轉(zhuǎn)角為187.5°時(shí)不同渦流排傾角下缸內(nèi)殘余廢氣分布

渦流排傾角增加,換氣質(zhì)量提升,主要原因是缸內(nèi)形成了有效的進(jìn)氣渦流。傾角較小時(shí),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(shí),缸內(nèi)渦流增強(qiáng),缸壁附近的殘余廢氣較少,如圖14b所示。傾角為40°時(shí),氣流一邊繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn),一邊向前推進(jìn),由于此時(shí)的渦流較強(qiáng),掃氣面基本充滿氣缸橫截面,新鮮充量沿缸壁運(yùn)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(xù)增大渦流排傾角,包裹在氣缸中心的廢氣將增多,它會導(dǎo)致進(jìn)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(nèi)殘余廢氣,但是進(jìn)氣氣流的軸向移動速度略有降低。3.1節(jié)中缸內(nèi)新鮮充量在傾角為40°時(shí)有所減少的結(jié)論,在此得到了解釋。由于掃氣過程進(jìn)行得良好,缸內(nèi)殘余廢氣大大減少,所以掃氣效率依然增大。

4 結(jié) 論

本文利用ANSYSFluent軟件建立了雙對置二沖程柴油機(jī)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(jié)論:

(1)增大渦流排高度比,缸內(nèi)渦流比有所增加,但此時(shí)進(jìn)氣口面積減小的幅度較大,進(jìn)氣量下降,從而導(dǎo)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(jī)掃氣過程的掃氣效率升高,給氣比下降,掃氣效率可達(dá)96%以上;

(3)OPOC柴油機(jī)在掃氣結(jié)束時(shí)缸內(nèi)的新鮮空氣質(zhì)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(shí)的掃氣效率比傾角為34°時(shí)增加了0.42%,但是34°傾角下的進(jìn)氣量更多,因此在本文研究工況下傾角為34°時(shí)的換氣質(zhì)量更好;

(4)通過改變渦流排高度比和傾角都能組織進(jìn)氣渦流,但是傾角對進(jìn)氣渦流的影響要大于氣口高度,在其他參數(shù)相同的情況下,渦流比越大,換氣質(zhì)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(yáng)軍, 等. 雙對置二沖程柴油機(jī)掃氣過程仿真研究 [J]. 航空動力學(xué)報(bào), 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(jī)換氣過程數(shù)值模擬研究 [D]. 太原: 中北大學(xué), 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(jī)掃氣口參數(shù)對掃氣過程的影響 [J]. 內(nèi)燃機(jī)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(jī)性能研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究 [D]. 長沙: 湖南大學(xué), 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(jī)直流掃氣過程仿真分析及優(yōu)化 [D]. 太原: 中北大學(xué), 2013.

[本刊相關(guān)文獻(xiàn)鏈接]

高忠權(quán),李春艷,藺子雨,等.采用離子電流法的甲醇發(fā)動機(jī)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(zhì)組分對有機(jī)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(yù)混均質(zhì)充量壓縮燃燒發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)電控單元的設(shè)計(jì)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(fā)動機(jī)細(xì)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(fā)動機(jī)排氣再循環(huán)NOx滿足國Ⅳ、Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51176082)。

時(shí)間:2015-10-23

網(wǎng)絡(luò)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