彭明國(guó)許伯彥孫朝棟姜龍龍

(1.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.聊城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 聊城 252000；3.大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧大連116024)

0 引言

電動(dòng)汽車是保障能源安全，解決環(huán)境污染等問題的重要途徑和有效方法，現(xiàn)階段因純電動(dòng)汽車存在續(xù)航里程短、制造成本高以及充電設(shè)施不完善等問題嚴(yán)重制約了純電動(dòng)汽車的發(fā)展[1]。近年來，增程式電動(dòng)汽車已成為彌補(bǔ)純電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程短板的重要模式之一。與純電動(dòng)汽車相比，增程式電動(dòng)車匹配一臺(tái)小功率發(fā)動(dòng)機(jī)以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，在電池電量低時(shí)為電池充電，因此，驅(qū)動(dòng)電池容量比純電動(dòng)汽車小，汽車可以在純電動(dòng)模式下行駛，提高了經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性并降低了使用成本，增程式電動(dòng)車在續(xù)航里程、油耗、充電便捷性方面表現(xiàn)出良好性能[2]。上汽通用于2017年4月份上市的別克-VELITE5都市增程版電動(dòng)車[3]，搭載15 kW·h的三元鋰電池組，在純電動(dòng)模式下的續(xù)航里程為116 km，增程器采用4缸、1.5 L排量的自然吸氣式直噴汽油機(jī)，動(dòng)力系統(tǒng)最大輸出馬力106 Ps，最大扭矩138 N·m，工信部測(cè)得的百公里油耗為0.9 L；德國(guó)寶馬公司研發(fā)生產(chǎn)的增程版寶馬i3[4]，在動(dòng)力方面采用電池容量為33 kW·h的鋰離子電池，增程器為2缸、0.9 L排量的自然吸氣式多點(diǎn)電噴汽油機(jī)，在純電動(dòng)模式下，當(dāng)電池電量低于荷電狀態(tài)SOC(State of Charge)點(diǎn)時(shí)，將自動(dòng)切換至增程模式增加續(xù)航里程。

與四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)相比，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、升功率高、便于維修等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于摩托車、發(fā)電機(jī)組和割草機(jī)等[5]。然而，國(guó)內(nèi)外卻鮮有采用二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)作為增程式電動(dòng)車動(dòng)力源的報(bào)道。主要原因在于傳統(tǒng)的曲軸箱掃氣式二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)在大負(fù)荷、怠速和小負(fù)荷工況下的混合氣形成、燃燒以及排放特性惡劣[6]。在大負(fù)荷工況時(shí)，燃料在掃氣過程中會(huì)出現(xiàn)燃料短路現(xiàn)象，造成碳?xì)浠衔颒C(Hydrocarbon)排放增加；在怠速、小負(fù)荷工況由于掃氣不充分造成缸內(nèi)殘余廢氣量多，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程影響嚴(yán)重，一氧化碳CO、HC排放增加[7]。但是，二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)采用缸內(nèi)直噴技術(shù)和優(yōu)化燃料噴射時(shí)刻便可以有效降低大負(fù)荷工況下的燃料短路問題[8]；同時(shí)，部分負(fù)荷和小負(fù)荷工況下還可以在排氣道關(guān)閉后噴射燃料，推遲噴射角，形成分層混合氣，提高燃燒性能，降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的排放特性[9]。陳登等[10]數(shù)值解析了排量為100 mL的摩托車用掃氣式二沖程汽油機(jī)在2000 r/min、6%負(fù)荷率時(shí)，不同燃料噴射時(shí)刻缸內(nèi)混合氣的形成過程；Darzi等[11]為了提高進(jìn)氣效率、降低燃料泄漏和控制殘余廢氣系數(shù)，對(duì)一臺(tái)排量34 mL的二沖程汽油機(jī)進(jìn)行改裝，在進(jìn)氣口和排氣道加裝諧振器，同時(shí)采用低壓直噴，其結(jié)果與同等條件下的普通二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)相比，改裝后的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料泄漏率僅為6%～20%。上述研究結(jié)果表明:雖然采用缸內(nèi)直噴技術(shù)可以顯著降低燃料泄漏，但是二沖程直噴汽油機(jī)在增程模式下轉(zhuǎn)速高，若采用關(guān)閉排氣道后噴射則汽油蒸發(fā)霧化效果不好，影響混合氣的形成。分層稀燃方式滿足增程式電動(dòng)車用二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況特征，利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，研究以輕型電動(dòng)車增程模式下的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象，采取壁面引導(dǎo)式的混合氣形成方式，選用高辛烷值、混合氣熱值高、易于混合氣形成的壓縮天然氣CNG(Compressed Natural Gas)為燃料，采用光學(xué)紋影法在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了選定的計(jì)算模型正確性后，利用CFD軟件FIRE 2011數(shù)值解析了不同工況下不同噴射時(shí)刻二沖程CNG直噴發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣的形成過程。

1 二沖程CNG直噴發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體模型及計(jì)算模型的選定

1.1 增程器的選型與二沖程CNG壁面引導(dǎo)燃燒系統(tǒng)

基于國(guó)內(nèi)某輕型純電動(dòng)車為基礎(chǔ)[12]，當(dāng)車輛自重m0為1050 kg，載重m為300～400 kg，空氣阻力系數(shù)CD為0.3，迎風(fēng)面積A為1.8 m2，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的傳動(dòng)效率η為0.9時(shí)，增程模式下二沖程直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下:發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室采用曲面活塞頂?shù)奈菁剐稳紵?，發(fā)動(dòng)機(jī)排量VL為330 mL，缸徑D為75 mm，行程s為75 mm，壓縮比ε為10，功率P為10.5 kW，采用稀燃催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)行尾氣處理，轉(zhuǎn)速與負(fù)荷:1800 r/min、20%負(fù)荷，4800 r/min、60%負(fù)荷和4800 r/min、100%負(fù)荷。

車用CNG的主要成分為甲烷CH4，由于其辛烷值比汽油高，可以提高CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，因此，其循環(huán)熱效率要比汽油高8%～12%[13]，文章采用的壁面引導(dǎo)式二沖程CNG直噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)如圖1所示。增程模式下發(fā)電機(jī)組選定在二沖程CNG直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的部分負(fù)荷工況(4800 r/min、60%負(fù)荷)，采用發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮過程的中、后期CNG噴射，由CNG噴射角與活塞曲面頂形狀的相互配合，在接近火花塞點(diǎn)火的上止點(diǎn)前BTDC(Before Top Dead Center)，易于點(diǎn)火的天然氣—空氣混合氣被引導(dǎo)至火花塞電極附近，而遠(yuǎn)離火花塞的缸內(nèi)末端混合氣位置混合氣濃度很低，形成缸內(nèi)明顯的混合氣分層構(gòu)造，而在部分負(fù)荷工況以外的冷啟動(dòng)—暖機(jī)工況(1800 r/min、20%負(fù)荷)、大負(fù)荷工況(4800 r/min、100%負(fù)荷)時(shí)，采用了在活塞上行排氣道關(guān)閉前CNG噴射，以盡可能的增加CNG與空氣的混合時(shí)間，形成較理想的可燃均質(zhì)混合氣。

圖1 壁面引導(dǎo)式二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 建立三維模型及網(wǎng)格劃分

增程式電動(dòng)車采用二沖程CNG直噴發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算的模型參數(shù)見表1，其中，CA(Crank Angle)為曲軸轉(zhuǎn)角；BBDC(Before Bottom Dead Center)為下止點(diǎn)前；ABDC(After Bottom Dead Center)為下止點(diǎn)后。

表1 壁面引導(dǎo)式二沖程CNG直噴發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型參數(shù)表

根據(jù)表1內(nèi)參數(shù)利用三維建模軟件Solidworks建立三維模型，如圖2(a)所示，將模型保存為stl格式并導(dǎo)入FIRE軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖2(b)～(d)所示。

圖2 二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)體三維模型及網(wǎng)格劃分圖

1.3 計(jì)算模型的選定

AVL-FIRE中包含多種湍流模型，通過大量的光學(xué)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比，選定了適用于高雷諾數(shù)的湍流流動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，在噴霧子模型中選定了既能夠保證計(jì)算精度又能夠縮短計(jì)算時(shí)間的歐拉模型、缸內(nèi)粒子相互作用模型選擇Nordin模型，壁面撞擊模型則選定了適用于缸內(nèi)直接燃料噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的Walljet0模型[14-15]。

2 二沖程CNG直噴發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算模型的驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)概況

為了驗(yàn)證本研究所采用計(jì)算模型的正確性，首先進(jìn)行噴霧實(shí)驗(yàn)。光學(xué)紋影實(shí)驗(yàn)利用光在不同密度介質(zhì)中折射率的不同，獲得天然氣噴霧形狀，噴霧錐角，噴霧貫穿距離等與噴霧計(jì)算相關(guān)的數(shù)據(jù)。紋影實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 光學(xué)紋影實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)采用的發(fā)動(dòng)機(jī)以二沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行改裝的CNG發(fā)動(dòng)機(jī)，其噴射系統(tǒng)采用單孔噴嘴，噴射持續(xù)時(shí)間為3 ms，噴射壓力為0.3 MPa，噴射背壓為環(huán)境壓力，氣體為空氣，溫度為293.15 K。實(shí)驗(yàn)采用的CNG噴嘴應(yīng)用于日本本田汽車電噴天然氣汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，噴孔形狀分為圓柱形噴孔和圓錐形噴孔，噴孔直徑均為1.5 mm，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 天然氣噴霧模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

采用與實(shí)驗(yàn)相同的CNG噴射參數(shù)，建立CNG噴霧計(jì)算模型，數(shù)值解析CNG噴射過程。圖5與圖6分別為圓柱單孔噴嘴和圓錐單孔噴嘴實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比，可以看出CNG噴霧錐角、貫穿距離以及噴霧形狀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果是相當(dāng)一致的，由此也驗(yàn)證了所采用計(jì)算模型的正確性。

圖5 圓柱單孔噴嘴噴霧實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比圖

圖6 圓錐單孔噴嘴噴霧實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

3 不同工況下二沖程CNG直噴發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣形成過程的數(shù)值解析

3.1 冷啟動(dòng)—暖機(jī)工況下不同噴射時(shí)刻均質(zhì)混合氣分布

當(dāng)車輛在純電動(dòng)模式下行駛至電量低時(shí)將轉(zhuǎn)換至增程模式，此時(shí)二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作，若發(fā)動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)便在部分負(fù)荷工況(4800 r/min、60%負(fù)荷)下運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體的可靠性和穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響，因此在啟動(dòng)增程模式前發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)先進(jìn)入冷啟動(dòng)—暖機(jī)工況(1800 r/min、20%負(fù)荷)，采用均質(zhì)理論混合氣加速發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱和尾氣后處理裝置的溫升。為了選定最佳的CNG噴射時(shí)刻，圖7是發(fā)動(dòng)機(jī)在冷啟動(dòng)—暖機(jī)工況下(1800 r/min、20%負(fù)荷)，不同噴射時(shí)刻(20°CA ABDC、30°CA ABDC)混合氣形成過程的解析結(jié)果。圖7(a)是噴射時(shí)刻為20°CA ABDC時(shí)缸內(nèi)混合氣的形成過程，此時(shí)CNG噴射時(shí)刻過早，有部分CNG—空氣混合氣經(jīng)排氣道排出；如圖7(b)所示，在噴射時(shí)刻為30°CA ABDC時(shí)排氣道還未關(guān)閉，但卻無CNG—空氣混合氣逸出，并且在該工況的火花塞跳火時(shí)刻(20°CA BTDC)缸內(nèi)形成了較理想的均質(zhì)理論混合氣。為此，該工況選定30°CA ABDC為冷啟動(dòng)—暖機(jī)工況(1800 r/min，20%負(fù)荷)的CNG噴射開始時(shí)刻。

圖7 冷啟動(dòng)—暖機(jī)工況不同噴射時(shí)刻缸內(nèi)均質(zhì)混合氣形成過程圖

3.2 增程模式的部分負(fù)荷發(fā)電機(jī)組工況下不同燃料噴射時(shí)刻缸內(nèi)混合氣分布

在部分符合工況(4800 r/min、60%負(fù)荷)下采用分層稀薄燒燃是提高熱效率、降低有害氣體排放的有利措施。為了形成缸內(nèi)良好的分層混合氣構(gòu)造，應(yīng)盡可能推遲CNG噴射開始時(shí)刻，以利于形成燃料噴射與曲面活塞頂形狀的良好配合，火花塞跳火時(shí)刻(25°CA BTDC)在火花塞電極附近能形成良好的可燃混合氣。為此，計(jì)算了部分負(fù)荷工況下活塞上止點(diǎn)前CNG不同時(shí)刻(80°CA BTDC、70°CA BTDC、60 °CA BTDC、50 °CA BTDC)時(shí)的缸內(nèi)混合氣形成過程，結(jié)果如圖8所示。

圖8 發(fā)電機(jī)組部分符合工況不同噴射時(shí)刻分層混合氣形成過程圖

如圖8(a)所示，當(dāng)噴射時(shí)刻為80°CA BTDC時(shí)， 因CNG噴射過早在火花塞跳火時(shí)刻有大量的混合氣附著到燃燒室頂部，由于氣缸蓋溫度較低會(huì)對(duì)混合氣進(jìn)行冷卻，導(dǎo)致在點(diǎn)火初始時(shí)刻比較容易發(fā)生壁面淬熄，造成燃燒過程惡化，CO、HC排放增多；當(dāng)CNG噴射時(shí)刻為70°CA BTDC時(shí)，如圖8(b)所示，天然氣噴霧在缸內(nèi)湍流及活塞頂曲面的引導(dǎo)下于火花塞電極附近形成良好的可燃濃混合氣，該區(qū)域的空燃比能達(dá)到理論空燃比，而遠(yuǎn)離火花塞的區(qū)域形成稀混合氣，整個(gè)氣缸內(nèi)混合氣的空燃比能達(dá)到40∶1；圖8(c)、(b)的解析結(jié)果相似，表明在噴射時(shí)刻60°CA BTDC時(shí)能形成理想的分層混合氣；圖8(d)是噴射時(shí)刻為50°CA BTDC時(shí)，由于噴射時(shí)刻較晚，在點(diǎn)火時(shí)刻(25°CA BTDC)火花塞電極附近形成不了易于點(diǎn)火的濃混合氣，同時(shí)，活塞頂?shù)那鎯?nèi)還聚集有大量混合氣，導(dǎo)致在燃燒過程中這部分混合氣燃燒不充分，增加CO、HC的排放。因此，增程式模式部分負(fù)荷工況下二沖程CNG直噴發(fā)動(dòng)機(jī)在60°～70°CA BTDC噴射CNG時(shí)缸內(nèi)可以形成較好的分層混合氣構(gòu)造，滿足增程模式下部分負(fù)荷工況的需要。

3.3 增程模式大負(fù)荷發(fā)電機(jī)組工況下不同燃料噴射時(shí)刻均質(zhì)混合氣分布

文章也對(duì)大負(fù)荷工況下(4800 r/min、100%負(fù)荷)二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣形成過程做了解析。顯然大負(fù)荷工況下應(yīng)采用均質(zhì)理論混合氣，因此，在避免“燃料短路”前提下，應(yīng)當(dāng)盡可能提前CNG噴射，圖9為大負(fù)荷工況下不同燃料噴射時(shí)刻(10°CA ABDC、20°CA ABDC)缸內(nèi)混合氣形成過程結(jié)果。

圖9 發(fā)電機(jī)組大負(fù)荷工況不同噴射時(shí)刻缸內(nèi)均質(zhì)混合氣形成過程圖

根據(jù)圖9分析可知，當(dāng) CNG噴射時(shí)刻為10°CA ABDC和20°CA ABDC時(shí)，火花塞點(diǎn)火時(shí)刻(25°CA BTDC)能形成較理想的可燃均質(zhì)混合氣。當(dāng)噴射時(shí)刻為10°CA ABDC時(shí)，由于噴射時(shí)刻過早部分燃料會(huì)隨廢氣一同排出，導(dǎo)致燃料泄漏，二沖程直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性下降，HC排放增加，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性降低、排放特性惡化；當(dāng)噴射時(shí)刻為20°CA ABDC時(shí)，在排氣道關(guān)閉時(shí)，新鮮工質(zhì)完全被鎖在氣缸內(nèi)，并且在缸內(nèi)氣流以及活塞曲面頂?shù)囊龑?dǎo)下于點(diǎn)火時(shí)刻(25°CA BTDC)能夠形成理想可燃均質(zhì)混合氣。所以，增程模式發(fā)電機(jī)組在大負(fù)荷(4800 r/min、100%負(fù)荷)運(yùn)行工況，二沖程CNG直噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴射時(shí)刻為(20°CA ABDC)時(shí)在點(diǎn)火時(shí)刻(25°CA BTDC)形成了較理想的均質(zhì)可燃混合氣。

4 結(jié)論

通過上述研究得出以下結(jié)論:

(1)在最常用的增程模式下的部分負(fù)荷工況(4800 r/min、60%負(fù)荷)時(shí)，CNG噴射開始時(shí)刻在60°～70°CA BTDC時(shí)，在火花塞跳火時(shí)刻(25°CA BTDC)，火花塞電極附近形成易于點(diǎn)火的濃混合氣，而遠(yuǎn)離火花塞的末端混合氣處混合氣濃度很低，形成了明顯的缸內(nèi)混合氣分層構(gòu)造，而燃燒室的整體空燃比達(dá)到了 40∶1。

(2)在冷啟動(dòng)—暖機(jī)工況(1800 r/min、20%負(fù)荷)時(shí)，采用CNG噴射開始時(shí)刻30°CA ABDC，在火花塞跳火時(shí)刻(20°CA BTDC)時(shí)，缸內(nèi)形成較理想的均質(zhì)理論混合氣。而在進(jìn)一步強(qiáng)化的大負(fù)荷工況下運(yùn)轉(zhuǎn)(4800 r/min、100%負(fù)荷)時(shí)，采用CNG噴射開始時(shí)刻20°CA ABDC，在火花塞跳火時(shí)刻(25°CA ABDC)時(shí)，缸內(nèi)也可形成較理想的均質(zhì)理論混合氣。