對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)換氣子階段完成比例研究

劉宇航， 張付軍， 慕連好， 高宏力， 王蘇飛

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081; 2.火箭軍駐濟(jì)南地區(qū)軍事代表室，山東 濟(jì)南 250000)

0　引言

對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)具有高功率密度[1]、高指示熱效率[2]等特點(diǎn)，在軍用車輛[3-4]、輔助動(dòng)力裝置[5-6]及輕型載重車輛方面具有廣泛的應(yīng)用。

與傳統(tǒng)柴油機(jī)不同，對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)取消了配氣機(jī)構(gòu)，通過橫置在同一氣缸中的2個(gè)活塞完成做功與換氣過程。在換氣過程中，進(jìn)排氣活塞存在相位差[7]，根據(jù)進(jìn)排氣口的開閉順序，可以將整個(gè)換氣過程分為自由排氣階段、掃氣階段和后充氣階段[8]。針對(duì)這種特殊結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程，國外研究機(jī)構(gòu)主要通過試驗(yàn)方法[9-11]研究了增壓匹配[12-13]和發(fā)動(dòng)機(jī)排放的改善[14]。國內(nèi)研究目前更多是采用仿真方法對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)[15]、性能參數(shù)[16]、掃氣效率[17]和缸內(nèi)流場(chǎng)[18]進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。綜上所述可以看出，已有的國內(nèi)外研究更多關(guān)注于整體換氣過程，多用掃氣效率等參數(shù)來評(píng)定換氣過程，而較少關(guān)注換氣過程中換氣子階段的完成情況。

本文將關(guān)注點(diǎn)集中在組成整個(gè)換氣過程的各個(gè)子階段。通過對(duì)某對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)進(jìn)行研究建立其一維仿真模型，在驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，通過缸內(nèi)二氧化碳質(zhì)量的變化曲線計(jì)算出該柴油機(jī)在不同換氣階段完成整個(gè)換氣過程的比例。通過改變轉(zhuǎn)速、進(jìn)排氣壓差和排氣背壓，研究了這3種影響因素對(duì)自由排氣階段和掃氣階段換氣完成比例的影響。

1　對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1所示為對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中兩個(gè)活塞被水平放置在氣缸中并各自通過上連桿、搖臂和下連桿與曲軸相連。進(jìn)排氣口分別布置在缸套兩端，通過活塞的運(yùn)動(dòng)來控制氣口的開啟和關(guān)閉。發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

2　換氣過程分析

對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)換氣過程可以分為3個(gè)階段：自由排氣階段、掃氣階段和后充氣階段。圖2為對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)換氣過程示意圖，其中：p、V分別表示缸內(nèi)壓力和缸內(nèi)容積；進(jìn)排氣活塞在缸內(nèi)處于最小距離時(shí)稱為各自的內(nèi)止點(diǎn)，處于最大距離時(shí)稱為各自的外止點(diǎn)；Vi表示進(jìn)排氣活塞在內(nèi)止點(diǎn)時(shí)的缸內(nèi)容積；Vo表示進(jìn)排氣活塞在外止點(diǎn)時(shí)的缸內(nèi)容積；a點(diǎn)和b點(diǎn)分別表示排氣口的開啟和關(guān)閉，c點(diǎn)和d點(diǎn)分別表示進(jìn)氣口的開啟和關(guān)閉。整個(gè)換氣過程排氣口先開先閉、進(jìn)氣口后開后閉。a點(diǎn)到c點(diǎn)稱為自由排氣階段。當(dāng)排氣口打開后，缸內(nèi)廢氣在缸內(nèi)高溫高壓作用下被排入排氣腔，缸內(nèi)壓力迅速降低。c點(diǎn)到b點(diǎn)稱為掃氣階段，進(jìn)氣口的打開使得新鮮空氣能夠進(jìn)入缸內(nèi)，其中一部分新鮮空氣將廢氣置換出缸外，另一部分則發(fā)生短路，由進(jìn)氣口進(jìn)入后直接從排氣口流出。排氣口的關(guān)閉(b點(diǎn))標(biāo)志著掃氣過程的結(jié)束。b點(diǎn)到d點(diǎn)稱為后充氣階段，是指排氣口關(guān)閉到進(jìn)氣口完全關(guān)閉的時(shí)間段。此階段通過進(jìn)氣腔的壓力和氣流流動(dòng)慣性作用，將一部分新鮮空氣沖入缸內(nèi)，直至進(jìn)氣口關(guān)閉，整個(gè)換氣過程(a點(diǎn)到d點(diǎn))結(jié)束。

表1　對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1　Structural parameters of OP2S diesel engine

圖3所示為活塞位移曲線與換氣過程示意圖。圖3中：橫坐標(biāo)-180～0 °CA為活塞向外止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，0～180 °CA為活塞向內(nèi)止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)；-78～-54 °CA為自由排氣階段，-54～65 °CA為掃氣階段，65～68 °CA為后充氣階段；自由排氣階段持續(xù)24 °CA，掃氣階段持續(xù)119 °CA，后充氣階段持續(xù)3 °CA.

3　一維模型建立與驗(yàn)證

3.1　一維模型

通過三維計(jì)算方法模擬對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)換氣過程，采用發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程模擬GT-Power軟件建立對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)的一維仿真模型[19]，如圖4所示。模型中包括增壓系統(tǒng)、中冷系統(tǒng)和對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)系統(tǒng)以及進(jìn)排氣壓差控制單元、發(fā)動(dòng)機(jī)功率控制單元和排氣背壓控制單元。增壓器選擇Rotrex C38型號(hào)，最大折合流量為0.63 kg/s，葉輪最高轉(zhuǎn)速為90 000 r/min. 功率控制單元通過控制噴油器噴入缸內(nèi)的燃油質(zhì)量實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)功率的控制。進(jìn)排氣壓力控制單元通過壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)進(jìn)排氣壓差。排氣腔壓力控制單元通過控制旁通閥的開度來實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣背壓的調(diào)節(jié)。

3.2　一維模型計(jì)算結(jié)果

對(duì)置活塞二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程參數(shù)主要有給氣比、捕獲率和掃氣效率[8]。給氣比與捕獲率、掃氣效率的關(guān)系曲線稱為掃氣特性曲線，是對(duì)置活塞二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程的重要評(píng)價(jià)曲線[20]。設(shè)定一維模型中的進(jìn)排氣壓差控制單元進(jìn)排氣壓差范圍為0.006～0.041 MPa，選取間隔為0.005 MPa，邊界條件如表2所示，通過以上數(shù)據(jù)可計(jì)算得到不同進(jìn)排氣壓差Δp情況下的給氣比、捕獲率和掃氣效率。仿真所得到的掃氣特性曲線如圖5和圖6所示。

表2　一維模型仿真邊界條件Tab.2　Simulation boundary conditions of OP2S diesel engine 1-D model

3.3　模型驗(yàn)證

示蹤氣體法是得到對(duì)置活塞二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)掃氣特性的常用試驗(yàn)方法。試驗(yàn)裝置示意圖如圖7所示。以甲烷作為示蹤氣體，在進(jìn)氣道中注入，通過比較進(jìn)氣腔與排氣腔中甲烷摩爾質(zhì)量的變化來計(jì)算出給氣比與捕獲率、掃氣效率的關(guān)系[19]，所得結(jié)果如圖8和圖9所示。從圖8和圖9可以看出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)與仿真所得曲線的變化趨勢(shì)一致、二者吻合良好。

4　換氣階段完成比例計(jì)算方法

如表2所示，設(shè)定空燃比為20，由于空氣中二氧化碳的含量較少，在這種情況下，缸內(nèi)二氧化碳的來源可以認(rèn)為都是燃料燃燒所產(chǎn)生的。因此，當(dāng)換氣過程開始后，可以通過缸內(nèi)二氧化碳質(zhì)量的變化表示不同換氣階段在整個(gè)換氣過程中的完成比例。缸內(nèi)氣體質(zhì)量曲線和缸內(nèi)二氧化碳質(zhì)量百分比曲線可由GT-Power軟件直接得到，如圖10(a)和圖10(b)所示。每隔0.4 °CA讀取上述兩曲線的數(shù)據(jù)并相乘，可得到缸內(nèi)二氧化碳質(zhì)量曲線，如圖10(c)所示。

由圖10(a)可知，在自由排氣階段，缸內(nèi)捕獲的氣體質(zhì)量明顯下降。掃氣階段開始后，由于進(jìn)氣口截面積逐漸增大，初期進(jìn)入氣缸的新鮮空氣較少，曲線仍會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降。當(dāng)進(jìn)氣口開啟截面逐漸增大后，曲線開始逐漸上升。由于后充氣階段時(shí)間很短，曲線并沒有出現(xiàn)明顯波動(dòng)。由圖10(b)可知，自由排氣階段缸內(nèi)二氧化碳質(zhì)量百分比曲線持平，這是因?yàn)榇穗A段沒有新鮮空氣進(jìn)入氣缸。掃氣階段開始后，由于新鮮空氣對(duì)缸內(nèi)氣體的置換作用，曲線出現(xiàn)下降并在結(jié)束時(shí)刻趨于0. 由圖10(c)可見，掃氣過程開始階段曲線出現(xiàn)了波動(dòng)現(xiàn)象，這主要是因?yàn)閽邭饪趧傞_啟時(shí)，有部分缸內(nèi)廢氣倒流進(jìn)入進(jìn)氣腔，并在隨后的掃氣過程中重新進(jìn)入氣缸。

定義不同換氣子階段的完成比例如(1)式所示，由此可以得到不同換氣子階段在整個(gè)換氣過程中完成的比例，如圖11所示。由圖11可見，自由排氣階段在整個(gè)換氣過程中的完成比例最大(64.42%)，其次為掃氣階段(35.57%)，后充氣階段最小(0.01%)。這說明雖然自由排氣階段的時(shí)間較短，但是在整個(gè)換氣過程中的作用較為重要。

(1)

式中：δr為換氣子階段完成比例；Δmi為不同換氣子階段缸內(nèi)二氧化碳質(zhì)量變化(i=1，2，3分別表示自由排氣階段、掃氣階段和后充氣階段)；Δma為整個(gè)換氣過程缸內(nèi)二氧化碳質(zhì)量變化。

雖然完整的換氣過程分為自由排氣、掃氣和后充氣3個(gè)子階段，但是由于本文所研究的柴油機(jī)后充氣階段十分短暫，后文中暫不對(duì)后充氣階段進(jìn)行討論。

5　不同參數(shù)對(duì)換氣階段影響分析

5.1　不同工況對(duì)換氣參數(shù)的影響

由于發(fā)動(dòng)機(jī)的用途十分廣泛且運(yùn)行條件較為復(fù)雜，在工作過程中將面臨多種不同的運(yùn)行工況，反映在發(fā)動(dòng)機(jī)本身即為轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化，而轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化同時(shí)也會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣壓差和排氣背壓等換氣參數(shù)。因此，需要明確不同工況對(duì)換氣參數(shù)的影響規(guī)律。

本文研究的對(duì)置活塞二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)采用串聯(lián)復(fù)合增壓方式。Rotrex C38型號(hào)機(jī)械增壓內(nèi)置的1級(jí)升速比為7.5，2級(jí)升速通過連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)2級(jí)升速比固定為4.7時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣壓力和排氣壓力的關(guān)系如圖12所示。

通過圖12可以看出，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，進(jìn)排氣壓力都呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。進(jìn)氣壓力的升高主要是由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加使得機(jī)械增壓器的轉(zhuǎn)速提升，提供了更多的進(jìn)氣流量，從而導(dǎo)致進(jìn)氣管壓力增加，使換氣過程結(jié)束后有更多的氣體流入排氣管中，因此排氣管壓力同樣會(huì)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。進(jìn)排氣壓差隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，這主要是由于排氣背壓的提升使渦輪增壓器葉輪端提供了更高的進(jìn)氣壓力。

柴油機(jī)在大負(fù)荷工況下噴入缸內(nèi)的油量較大，反之則較小，可以通過缸內(nèi)空燃比衡量柴油機(jī)工作負(fù)荷的大小。在1 200 r/min轉(zhuǎn)速下，設(shè)定空燃比范圍為20～50，以間隔5取值進(jìn)行計(jì)算，得到不同空燃比對(duì)換氣參數(shù)的影響，如圖13所示。

由圖13可知，隨著空燃比的增加，進(jìn)排氣壓力逐漸減小，同時(shí)進(jìn)排氣壓差也逐漸減小。由于空燃比較小，噴入缸內(nèi)的燃油較多，則做功行程后缸內(nèi)溫度壓力較高，進(jìn)入排氣管中的氣體動(dòng)能也較大，渦輪增壓器渦輪端接收的能量增加，因此渦輪端也能提供更高的進(jìn)氣壓力，進(jìn)排氣壓差也會(huì)較大。因此，當(dāng)空燃比較小時(shí)，進(jìn)排氣壓力較大，進(jìn)排氣壓差也較大。

5.2　轉(zhuǎn)速對(duì)換氣階段的影響

轉(zhuǎn)速是影響換氣過程最重要的因素之一。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，換氣時(shí)間相應(yīng)縮短。由于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣與排氣是同時(shí)完成的，轉(zhuǎn)速的提升對(duì)于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程的影響更為關(guān)鍵。圖14所示為保持壓差、背壓和空燃比不變情況下，不同轉(zhuǎn)速時(shí)各換氣階段的完成比例。

由圖14可知，隨著轉(zhuǎn)速的升高，自由排氣階段在整個(gè)換氣過程中的完成比例逐漸降低，掃氣階段的完成比例逐漸升高。這主要是因?yàn)殡S著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，換氣時(shí)間逐漸減少，自由排氣階段的時(shí)間也相對(duì)減少，在此期間排出氣缸的廢氣質(zhì)量減少，因此完成比例也隨之減小，掃氣階段在整個(gè)換氣過程中所需完成的比例增加。

5.3　進(jìn)排氣壓差對(duì)換氣階段的影響

保持轉(zhuǎn)速為1 200 r/min、排氣背壓為0.18 MPa、空燃比為20，進(jìn)排氣壓差取值范圍為0.005～0.013 MPa，每隔0.002 MPa取值進(jìn)行計(jì)算，得到進(jìn)排氣壓差對(duì)不同換氣子階段完成比例的影響規(guī)律，如圖15所示。

由圖15可知，隨著進(jìn)排氣壓差的提高，自由排氣階段在整個(gè)換氣過程中的完成比例不斷減小，掃氣階段的完成比例不斷增加。這主要是因?yàn)楸３峙艢獗硥翰蛔兦闆r下，進(jìn)排氣壓差的增加意味著進(jìn)氣壓力的不斷增加。在自由排氣階段，只有排氣口開啟且排氣腔壓力不變，表示廢氣排出氣缸的環(huán)境壓力不變；轉(zhuǎn)速不變，表示自由排氣階段的持續(xù)時(shí)間也不變，因此在自由排氣階段排出氣缸的缸內(nèi)二氧化碳質(zhì)量變化應(yīng)較小。與此同時(shí)，進(jìn)排氣壓力的增加會(huì)增加柴油機(jī)在掃氣過程中新鮮空氣置換缸內(nèi)廢氣的能力，在相同轉(zhuǎn)速情況下，進(jìn)排氣壓差越大，掃氣階段能夠置換出缸內(nèi)二氧化碳的質(zhì)量就越多。因此，提高進(jìn)排氣壓差會(huì)使掃氣階段在整個(gè)換氣過程中的完成比例上升。但總體上看，進(jìn)排氣壓差的變化對(duì)各階段完成比例的影響較小。

5.4　排氣背壓對(duì)換氣階段的影響

保持壓差為0.013 MPa、轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，排氣背壓選取范圍0.15～0.2 MPa，每隔0.01 MPa取值進(jìn)行計(jì)算，可得到排氣背壓對(duì)各個(gè)換氣子階段完成比例的影響規(guī)律，如圖16所示。

由圖16可知，隨著排氣背壓的增加，自由排氣階段的完成比例有所增加，掃氣階段的完成比例有所降低，但是變化的趨勢(shì)并不明顯。這說明排氣背壓的變化對(duì)各個(gè)換氣階段的影響并不明顯。由圖17可知，雖然排氣背壓的變化對(duì)換氣子階段完成比例的影響較小，但是隨著排氣背壓的增加，缸內(nèi)二氧化碳質(zhì)量曲線呈現(xiàn)整體上移的趨勢(shì)，且曲線最大值與最小值都有不同程度的增加。缸內(nèi)二氧化碳質(zhì)量最大值的增加，說明排氣背壓有助于二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程中缸內(nèi)氣體的封存，在同樣的空燃比情況下，燃料燃燒后留在缸內(nèi)的二氧化碳質(zhì)量更高。缸內(nèi)二氧化碳質(zhì)量最小值的增加，說明排氣背壓的增加同樣會(huì)使得發(fā)動(dòng)機(jī)換氣過程更加困難，在同樣壓差情況下，排氣背壓高，缸內(nèi)殘余的二氧化碳質(zhì)量會(huì)更多。圖17中所有曲線的整體變化趨勢(shì)相同，表明雖然在各個(gè)換氣子階段開始時(shí)刻缸內(nèi)二氧化碳質(zhì)量不盡相同，但是各個(gè)換氣子階段的缸內(nèi)二氧化碳變化量與整個(gè)換氣過程中缸內(nèi)二氧化碳變化量的比值變化不大，這也同時(shí)解釋了排氣背壓的改變對(duì)換氣子階段完成比例影響不明顯的原因。

6　結(jié)論

1)在對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)的自由排氣、掃氣和后充氣階段，可以通過缸內(nèi)二氧化碳質(zhì)量的變化計(jì)算不同換氣子階段在整個(gè)換氣過程中的完成比例。

2)本文所研究的對(duì)置活塞二沖程柴油機(jī)在轉(zhuǎn)速為1 200 r/min、進(jìn)排氣壓差為0.013 MPa、背壓為0.18 MPa情況下，自由排氣階段、掃氣階段和后充氣階段在整個(gè)換氣過程中的完成比例分別為64.42%、35.57%和0.01%. 雖然自由排氣階段相對(duì)于掃氣階段時(shí)間較短，但是在整個(gè)換氣過程中的完成比例較高。

3)轉(zhuǎn)速的提高會(huì)使自由排氣階段的完成比例降低，掃氣階段的完成比例升高；壓差的影響規(guī)律與轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律有相似的效果，但影響幅度相對(duì)較??；排氣背壓的增加不會(huì)對(duì)各排氣階段的完成比例產(chǎn)生影響，但是會(huì)使缸內(nèi)的二氧化碳質(zhì)量增加。

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