對置活塞二沖程汽油機噴油和點火定時影響分析

馬富康，趙長祿，張付軍，趙振峰

(1.北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院，北京 100081； 2.中北大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，太原 030051)

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2015171

對置活塞二沖程汽油機噴油和點火定時影響分析

馬富康1,2，趙長祿1，張付軍1，趙振峰1

(1.北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院，北京 100081； 2.中北大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，太原 030051)

對對置活塞二沖程缸內(nèi)直噴汽油機缸內(nèi)流動、混合氣形成和燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬，以研究噴油定時和點火定時對混合氣的形成、燃燒過程和整機性能的影響。結(jié)果表明：隨著噴油提前角的增大，火焰發(fā)展期縮短，快速燃燒期先減小后增大，而在噴油提前角為100°CA時達(dá)到最小值；隨著點火提前角的增大，火焰發(fā)展期延長，快速燃燒期先減小后增大且在點火提前角為20°CA時達(dá)到最小值。因此，噴油提前角100°CA、點火提前角20°CA為最佳匹配。此時，可實現(xiàn)點火時刻的均勻混合；同時具有較短的火焰發(fā)展期和快速燃燒期，所對應(yīng)的缸內(nèi)平均指示壓力較高，指示燃油消耗率較低。

對置活塞二沖程汽油機;缸內(nèi)直噴;噴油定時;點火定時

前言

隨著內(nèi)燃機技術(shù)的不斷發(fā)展，對置活塞二沖程汽油機通過采用“氣口-氣口”式直流掃氣、缸內(nèi)直噴技術(shù)和多點點火方式，實現(xiàn)供油及掃氣過程的分離和缸內(nèi)快速燃燒，同時避免了燃油短路[1-4]。對置活塞二沖程缸內(nèi)直噴汽油機區(qū)別于傳統(tǒng)的四沖程汽油機，其燃油噴射過程處于進(jìn)氣口關(guān)閉后的壓縮過程，要求有較快的霧化混合過程。壓縮過程缸內(nèi)流動狀態(tài)的變化相對劇烈，因此不同噴油定時對應(yīng)不同的缸內(nèi)流動狀態(tài)，不同的缸內(nèi)流動影響燃油噴射霧化，而不同的霧化混合過程又對應(yīng)不同的最佳點火定時。

缸內(nèi)氣流運動及噴霧的相互作用對燃油濕壁和點火時刻缸內(nèi)混合氣分布有顯著影響，而這又主要取決于噴油開始時刻，即噴油提前角[5-6]。同時，點火提前角直接影響發(fā)動機的燃燒過程，從火花塞點火到火焰核心形成的著火階段對燃燒過程有重要影響，這一階段可以通過點火提前角的調(diào)整進(jìn)行精確控制[7-9]。本文中結(jié)合對置活塞二沖程缸內(nèi)直噴汽油機噴射霧化過程的特點，以噴油定時和點火定時為研究對象，重點分析其對混合氣的形成、燃燒過程和整機性能的影響。

1 模型建立與邊界條件

1.1 對置活塞二沖程汽油機

對置活塞二沖程汽油機采取無氣缸蓋和無氣門機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、噴油器周向布置的缸內(nèi)直噴系統(tǒng)、火花塞周向布置的多點點火系統(tǒng)、直流掃氣系統(tǒng)、兩對置平頂活塞組成燃燒室系統(tǒng)，并采用鏈傳動實現(xiàn)對置曲柄連桿機構(gòu)的同步工作。其具體結(jié)構(gòu)見圖1，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 對置活塞二沖程汽油機參數(shù)

1.2 模型的建立

文中應(yīng)用AVL_Firer軟件建立了對置活塞二沖程汽油機工作過程CFD仿真模型。分別對進(jìn)排氣道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對進(jìn)排氣口處進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，缸體部分通過分別定義進(jìn)排氣活塞的運動規(guī)律進(jìn)行一個工作循環(huán)的動網(wǎng)格劃分，其中進(jìn)氣道網(wǎng)格數(shù)83 062，排氣道網(wǎng)格數(shù)85 989，氣缸體網(wǎng)格數(shù)88 256，總網(wǎng)格數(shù)257 307。進(jìn)排氣活塞運動的動網(wǎng)格見圖2，并按照活塞實際的運動規(guī)律(圖3)處理。

在混合氣形成過程中，對油膜蒸發(fā)、卷吸和油滴飛濺分別采用Multi-Component，Schadel-Hanratty和Kuhnk模型進(jìn)行模擬[10]。點火模型采用Spherical model，燃燒模擬采用Extended Coherent Flame model，該模型采用火焰面密度的方法描述火焰發(fā)展過程，考慮了湍流與化學(xué)機理的相互作用，其物理意義更為準(zhǔn)確[11-12]。

1.3 邊界條件

根據(jù)實際發(fā)動機參數(shù)，采用GT-Power軟件對發(fā)動機進(jìn)行了工作過程仿真并對其模型進(jìn)行了標(biāo)定。計算過程分別采用SI Wiebe和Woschni GT模型對放熱率和壁面?zhèn)鳠徇M(jìn)行模擬。針對標(biāo)定工況(功率為15kW，轉(zhuǎn)速為6 000r/min)，通過性能預(yù)測得到缸內(nèi)壓縮初始壓力為0.13MPa和初始溫度為445K，計算邊界條件見表2。

表2 計算邊界條件

2 缸內(nèi)過程CFD計算分析

2.1 噴霧模型標(biāo)定

在噴霧過程模擬中，噴霧模型采用離散液滴模型，其中包含噴霧粒子的蒸發(fā)、破碎、交互碰撞聚合和湍流擴散等子模型；同時選用Huh/Gosman破碎模型、Nordin油滴間相互作用模型、K-Epsilon湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面方程。選擇噴油壓力為10MPa下的噴油速率[13]，參閱文獻(xiàn)[14]對Huh/Gosman破碎模型進(jìn)行了調(diào)整標(biāo)定，該模型各系數(shù)的取值見表3。

表3 Huh/Gosman模型標(biāo)定系數(shù)

2.2 混合氣形成分析

對于對置活塞二沖程缸內(nèi)直噴汽油機，壓縮過程中缸內(nèi)氣體的動量不斷變化，而噴霧與氣流的相互作用取決于噴油提前角[15]。因此，首先對不同噴油提前角下噴霧與氣流的相互作用進(jìn)行分析。圖4為點火提前角為20°CA時，噴油提前角對點火時刻火花塞附近和缸內(nèi)平均湍動能的影響，圖中所示為與純氣流運動相比的湍動能變化百分比。由圖可見：雖然進(jìn)氣過程噴霧動量的輸入使缸內(nèi)充量的湍流水平有所提高，但由于壓縮過程的耗散，缸內(nèi)平均湍動能的變化較小，均在-4%以內(nèi)。

由于不同噴油提前角時缸內(nèi)氣體流動過程并不相同，因此點火時刻火花塞附近湍動能差別比較明顯，其中噴油提前角為110°CA時，變化較大，為-13%；其余4種噴油提前角時變化均在-10%以內(nèi)，且隨著噴油提前角的增大，湍動能減小?；鸹ㄈ浇^高的湍動能有利于初期火核的快速傳播，而缸內(nèi)較高湍動能可提高燃燒速率，改善發(fā)動機燃燒穩(wěn)定性。

均勻混合缸內(nèi)直噴二沖程汽油機由于在壓縮過程噴射，噴油提前角直接影響到燃油液滴在缸內(nèi)的分布和混合氣形成時間。為進(jìn)一步分析，引入空氣利用率定量分析缸內(nèi)燃油當(dāng)量比分布，其中空氣利用率定義[16]為

(1)

式中：Vtol為缸內(nèi)氣體總體積；Vi為當(dāng)量比為0.5～1.5的網(wǎng)格總體積。

圖5為點火提前角為20°CA時，點火時刻缸內(nèi)空氣利用率與缸內(nèi)工質(zhì)溫度隨噴油提前角的變化關(guān)系。由圖可見：噴油過早，噴油開始時刻缸內(nèi)氣流運動較弱不利于燃油的霧化混合；噴油過晚，在點火前燃油沒有足夠的時間蒸發(fā)混合。因此，當(dāng)點火提前角一定時，存在最佳的噴油提前角以保證較高的空氣利用率。同時，噴油過早，缸內(nèi)壓力較低，霧束貫穿度較大，燃油碰壁量較多，燃油蒸發(fā)更多從壁面吸熱而非充量吸熱，工質(zhì)溫度較高；噴油過晚，燃油碰壁量較少，燃油從充量吸熱蒸發(fā)，工質(zhì)溫度較低。因此，隨著噴油提前角的增大，缸內(nèi)工質(zhì)溫度呈上升趨勢。

圖6為點火提前角為20°CA時，點火時刻燃油蒸發(fā)比例和累積碰壁量。由圖可見：隨著噴油提前，點火時刻燃油蒸發(fā)量增加，壁面累積燃油量減少。由于提前噴油，霧化混合時間增加，點火時刻總的燃油蒸發(fā)量增加，從而可減少壁面油膜形成的概率。

圖7為火花塞電極所在的氣缸橫截面中，不同噴油提前角和不同點火時刻下，缸內(nèi)混合氣當(dāng)量比的分布。由圖可見：當(dāng)噴油提前角為100°CA，點火提前角為20°CA時，較濃混合氣主要集中于氣缸中心位置且混合氣較均勻；隨著噴油推遲，用于燃油混合的時間縮短，混合氣均勻性變差，且由于缸內(nèi)氣流運動較弱不利于液滴擴散，缸內(nèi)中心區(qū)域混合氣較濃；隨著噴油提前角的增大，噴射過程缸內(nèi)氣流運動較強，有利于液滴擴散。當(dāng)噴油提前角大于100°CA之后，氣缸壁面附近的較濃混合氣逐漸增多，這勢必會增大燃油蒸氣遇冷壁面后冷凝及火焰淬熄的可能，并且加大了壁面?zhèn)鳠釗p失。

2.3 燃燒過程分析

2.3.1 噴油定時對燃燒過程的影響

將點火提前角固定在20°CA，研究不同噴油提前角對缸內(nèi)燃燒過程的影響。燃燒持續(xù)期包括火焰發(fā)展期和快速燃燒期兩個階段：火焰發(fā)展期為從火花跳火到累積放熱量達(dá)到10%所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角；快速燃燒期為累積放熱量從10%到90%所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角。圖8為火焰發(fā)展期和快速燃燒期與噴油提前角的關(guān)系曲線。

由圖可見：隨著噴油提前角的增大，火焰發(fā)展期逐漸縮短，這與缸內(nèi)混合氣的分布有關(guān)，隨著噴油時刻的提前，燃油與空氣混合的時間變長，有利于油氣之間的均勻混合，促進(jìn)火核的形成，從而會縮短火焰發(fā)展期；隨著噴油提前角的增大，火焰發(fā)展期逐漸縮短，快速燃燒期先減小后增大且在噴油提前角為100°CA時達(dá)到最小值，說明此刻混合氣的當(dāng)量比分布最為合適，空氣利用率最高，火焰?zhèn)鞑ニ俣茸羁臁?/p>

缸內(nèi)直噴汽油機的燃燒過程受混合氣均勻性、當(dāng)量比和湍流水平等因素的影響。由于不同噴油開始時刻對缸內(nèi)工質(zhì)運動狀態(tài)的影響不同，且流動形式和當(dāng)量比分布也不盡相同，必然會影響燃燒過程。圖9和圖10分別為點火提前角為20°CA時，不同噴油提前角下的燃燒放熱率和缸內(nèi)壓力的對比。由圖可見：噴油提前角為110°CA時具有較低的燃燒放熱率，其余3種噴油提前角下的放熱率較高，并隨著噴油提前角的減小，放熱過程后移，噴油提前角為100°CA時燃燒放熱率峰值最大；由于燃燒過程不同，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力也存在差異，其中噴油提前角為100°CA時對應(yīng)的缸內(nèi)爆發(fā)壓力最高。

2.3.2 點火定時對燃燒過程的影響

將噴油提前角固定在100°CA，研究不同的點火提前角對缸內(nèi)燃燒過程的影響。圖11為不同點火提前角下的火焰發(fā)展期與快速燃燒期。由圖可見：與改變噴油提前角的情況不同，火焰發(fā)展期隨著點火提前角的減小而縮短。由于點火提前角的減小使得混合氣的點火時刻推遲，這樣混合氣在點火前將經(jīng)歷更多的壓縮過程，致使點火前的初始壓力和溫度均有所升高，有利于火焰核心的形成。因此，推遲點火有利于在GDI汽油機缸內(nèi)迅速形成火焰核心。這主要是由于推遲點火一方面增加了缸內(nèi)工質(zhì)的混合時間，使燃油與空氣的混合更加充分，更易于點燃；另一方面對置活塞離上止點越近，缸內(nèi)工質(zhì)的被壓縮程度越高，點火時所對應(yīng)的缸內(nèi)溫度和壓力越高，有助于火焰核心的形成和發(fā)展。兩者的共同作用導(dǎo)致了火焰發(fā)展期隨點火定時的推遲而縮短。

隨著點火提前角的增大，快速燃燒期先減小后增大且在點火提前角為20°CA時達(dá)到最小值。因為點火時刻太早，相對較低的缸內(nèi)溫度和壓力不利于火焰的快速傳播，快速燃燒期延長；點火時刻推遲時，燃燒始點后移，缸內(nèi)工質(zhì)燃燒所對應(yīng)的缸內(nèi)壓力和溫度相對較低，缸內(nèi)工質(zhì)的氧化反應(yīng)變緩，不利于火焰的快速傳播[17]。同時，燃燒始點后移還造成了缸內(nèi)工質(zhì)在膨脹過程內(nèi)的燃燒比例增加，膨脹過程對置活塞向外側(cè)移動將加大火焰的傳播距離，增大火焰?zhèn)鞑r間。

圖12和圖13分別為噴油提前角為100°CA時，不同點火定時下的放熱率和缸內(nèi)壓力對比。由圖可見：隨著點火提前角的增大，燃燒過程提前，缸內(nèi)壓力峰值增大，并且在點火提前角為20°CA時，瞬時放熱率峰值最大，這是由于隨著點火定時的延遲，有利于增加混合時間，改善燃燒，瞬時放熱率峰值增大；但隨著點火定時的進(jìn)一步延遲，燃燒始點后移，燃燒持續(xù)時間增加，火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?，?dǎo)致缸內(nèi)工質(zhì)放熱過程逐漸遲緩，瞬時放熱率峰值降低。

2.4 整機性能分析

圖14和圖15為標(biāo)定工況(功率為15kW，轉(zhuǎn)速為6 000r/min)不同噴油定時下的平均指示壓力和指示燃油消耗率隨著點火定時的變化。由圖可見，噴油提前角為100°CA、點火提前角為20°CA時，平均指示壓力較高，指示燃油消耗率較低。

3 結(jié)果驗證

上述各項試驗的結(jié)果表明，點火提前角為20°CA和噴油提前角為100°CA時，對置活塞二沖程缸內(nèi)直噴汽油機的各項性能都較佳。為驗證噴油定時和點火定時這一匹配的結(jié)果，進(jìn)行了標(biāo)定工況的整機試驗。圖16為試驗和仿真的缸內(nèi)壓力曲線。由圖可見，兩條曲線基本吻合，說明模型參數(shù)選取合理，同時也證明噴油定時和點火定時匹配正確，缸內(nèi)氣流的組織和混合氣的形成滿足對置活塞二沖程汽油機的要求。

4 結(jié)論

(1) 噴油提前角對噴霧與氣流的相互作用有決定性影響，對火花塞附近湍動能的影響較明顯，而對點火時刻缸內(nèi)平均湍動能的影響則較小，存在最佳的噴油提前角可滿足較高的空氣利用率，即在噴油提前角為100°CA、點火提前角為20°CA時，可實現(xiàn)點火時刻燃油與空氣的均勻混合。

(2) 隨著噴油提前角的增大，火焰發(fā)展期縮短，快速燃燒期先減小后增大，在噴油提前角為100°CA時達(dá)到最小值，提前噴油使燃油與空氣混合的時間變長，有利于均勻混合，促進(jìn)火焰核心的形成，火焰發(fā)展期縮短；不同噴油提前角對應(yīng)的點火時刻當(dāng)量比分布不同，影響快速燃燒期和燃燒放熱過程。

(3) 隨著點火提前角的增大，火焰發(fā)展期延長，快速燃燒期先減小后增大，在點火提前角為20°CA時達(dá)到最小值，推遲點火使混合氣在點火前經(jīng)歷更多的壓縮過程，致使點火前的初始壓力和溫度均有所升高，有利于火焰核心的形成，火焰發(fā)展期縮短；不同點火時刻所對應(yīng)的缸內(nèi)熱力狀態(tài)不同，影響快速燃燒期和燃燒放熱過程。

(4) 噴油提前角為100°CA、點火提前角為20°CA時，平均指示壓力較高，指示燃油消耗率較低。

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Effect Analysis of Injection and Ignition Timingsin Opposed-Piston Two-Stroke Engine

Ma Fukang1,2, Zhao Changlu1, Zhang Fujun1& Zhao Zhenfeng1

1.SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081; 2.SchoolofMechanicalandPowerEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051

A numerical simulation on the in-cylinder flow, mixture formation and combustion process of an oppose-piston two-stroke direct injection gasoline engine is conducted to study the effects of injection timing and ignition timing on the mixture formation, combustion process and overall performance of the engine. The results show that with the increase of injection advance angle, the flame developing period shortens and the rapid burning period shortens first then extends and reaches a minimum at an injection advance angle of 100°CA, while with the increase of ignition advance angle, the flame developing period extends and the rapid burning period shortens first then extends and reaches a minimum at an ignition advance angle of 20°CA. Therefore the optimal matching is an injection advance angle of 100°CA with an ignition advance angle of 20°CA, with which the uniform mixing of fuel and air at ignition moment can be achieved, with shorter flame developing period and rapid burning period, corresponding to a higher mean indicated pressure and a lower indicated specific fuel consumption.

opposed-piston two-stroke gasoline engine; in-cylinder direct injection; injection timing; ignition timing

原稿收到日期為2013年12月10日，修改稿收到日期為2014年4月17日。