李新海，許伯彥，張壽榮，趙秀亮

（1.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100）

面對當(dāng)前日益嚴(yán)格的汽車排放標(biāo)準(zhǔn)以及日益嚴(yán)重的環(huán)境和能源問題，人們不斷研究和尋找提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放的方法。二沖程發(fā)動機(jī)具有升功率高、做功密集度大、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、機(jī)械損失少、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低及維修方便等優(yōu)點［1］，可以使汽車動力性更好。但是傳統(tǒng)二沖程發(fā)動機(jī)在掃氣過程中容易產(chǎn)生可燃混合氣短路等現(xiàn)象，造成燃油經(jīng)濟(jì)性差和未燃碳?xì)洌═HC）化合物排放升高等問題，二沖程發(fā)動機(jī)曾經(jīng)被淘汰出市場［2］。近十年來，在四沖程機(jī)上采用的缸內(nèi)直噴技術(shù)為解決二沖程汽油機(jī)存在的這些難題提供了可能的途徑，理論上可以在換氣過程結(jié)束后直接將燃料噴入氣缸，實現(xiàn)單純空氣掃氣，從而極大地改善了二沖程汽油機(jī)的燃油消耗和排放水平［3］。

目前，國內(nèi)外所研究的二沖程直噴發(fā)動機(jī)僅限于使用直射式噴油器進(jìn)行噴射，但是這種噴油器的噴射貫穿距較長，噴霧錐角較小［4］。蔡曉林以排量98cm3的摩托車化油器發(fā)動機(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計了直噴系統(tǒng)，采用單孔軸針式噴嘴和自己研發(fā)的脈沖噴射系統(tǒng)，可完全消除原機(jī)燃油短路的現(xiàn)象；在低速低負(fù)荷工況下，通過實現(xiàn)一定程度的分層燃燒，燃油消耗及排放得到較大改善，但這樣做顯然不能滿足二沖程發(fā)動機(jī)均質(zhì)混合氣形成的需要［5］。相比較而言，旋流噴油器在同等噴射壓力的情況下有著比直射式噴油器更短的噴射貫穿距和更大的噴霧錐角［6］，能在更短的時間內(nèi)使二沖程發(fā)動機(jī)內(nèi)混合氣混合得更加均勻。

采用AVL Fire2013計算流體軟件，首先驗證了旋流噴油器與普通噴油器的噴霧過程，并對其噴霧形態(tài)的變化進(jìn)行了對比。建立了二沖程直接噴射發(fā)動機(jī)的計算模型，得到了二沖程直噴發(fā)動機(jī)應(yīng)用旋流噴油器后在缸內(nèi)形成均質(zhì)混合氣的最佳噴油時刻，模擬了在這一噴射正時下缸內(nèi)混合氣的形成過程。

1 計算模型及模擬方法

為了研究二沖程直噴汽油機(jī)均質(zhì)混合氣的形成過程，采用三維建模軟件Pro／E建立發(fā)動機(jī)實體模型，輸出.stl格式文件導(dǎo)入Fire軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分及模擬計算［7］。所采用模型的基本參數(shù)見表1。圖1示出二沖程直噴發(fā)動機(jī)的工作原理示意。發(fā)動機(jī)設(shè)計為4個掃氣道與1個排氣道結(jié)構(gòu)，噴油器中置，火花塞置于排氣道一側(cè)的氣缸蓋位置。當(dāng)排氣道與掃氣道同時打開時，氣流由掃氣道進(jìn)入，在缸內(nèi)形成縱向滾流，掃氣氣流推動廢氣由排氣道排出［8］。

表1 發(fā)動機(jī)參數(shù)

1.1 計算方法的可行性驗證

為了驗證旋流噴油器能以更短的噴射貫穿距、更大的噴霧錐角使二沖程發(fā)動機(jī)混合氣的形成更加快速、均勻，本研究采用靜態(tài)噴霧的方式，通過直射式噴油器和旋流噴油器的靜態(tài)噴霧圖對噴霧貫穿距及噴霧錐角進(jìn)行比較［9－10］。

圖2示出壓力渦流噴油器的實體結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。其基本原理是燃油由進(jìn)口流入噴油器，經(jīng)旋流槽的引導(dǎo)進(jìn)入噴孔。由于旋流槽與噴孔呈一定角度，所以會產(chǎn)生圓周運動，根據(jù)能量守恒定律，軸向運動會減弱，所以旋流噴油器的噴霧錐角較大，而噴霧貫穿距較短。

旋流噴油器是由進(jìn)口壓力產(chǎn)生動力，燃油在噴油器內(nèi)部被引導(dǎo)著作旋流運動，由于離心力和噴射壓力的雙重作用，燃油離開噴孔時呈現(xiàn)出中空圓錐形極薄液膜的特殊形態(tài)［11］。這種噴霧形態(tài)受背壓影響較小，具有很快的擴(kuò)散混合速度。由圖3對比分析可得，在相同的噴射壓力下，旋流噴油器的噴霧錐角更大，貫穿距離更短，這樣彌補了GDI汽油機(jī)混合氣形成時間短的不利因素［12］。在二沖程發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速的情況下應(yīng)用旋流噴油器，能使噴出的燃油更易與空氣混合，形成均質(zhì)混合氣。

1.2 數(shù)學(xué)方程及計算模型

描述二沖程直噴發(fā)動機(jī)混合氣形成過程的數(shù)學(xué)方程包括質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程等。計算過程中使用的噴霧模型有噴霧液滴碰撞聚合模型，蒸發(fā)、破碎以及碰壁模型等［13－14］，圖4示出發(fā)動機(jī)氣缸三維模型和網(wǎng)格模型。

1.3 驗證試驗

為了驗證二沖程直噴發(fā)動機(jī)燃油與空氣在缸內(nèi)的混合，在1臺單缸機(jī)（見表2）上設(shè)計了一套可視化設(shè)備，通過在氣缸蓋上安裝內(nèi)窺鏡拍攝照片來實現(xiàn)（見圖5）。氣缸蓋采用采用透明材料代替，在氣缸蓋上與排氣口相反的方向安裝了一個內(nèi)窺鏡來拍攝燃油的噴霧過程［15－16］。模擬過程中采用相同的試驗條件，計算模型的網(wǎng)格數(shù)量為445 932，轉(zhuǎn)速為1 700r／min。將得到的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證模擬方法以及求解過程的正確性。

表2 試驗臺架主要參數(shù)

圖6示出試驗圖像與模擬圖像的對比。圖6a試驗圖像中有彎曲的透明白線，這些白線用作試驗過程中的標(biāo)尺尺度。因為實驗室采用將內(nèi)窺鏡插入缸內(nèi)進(jìn)行拍照的方法，所以這些標(biāo)尺線就變得扭曲了，但不影響試驗拍攝濃度場的效果。

從圖6可看出，在ABDC75°曲軸轉(zhuǎn)角開始霧化的過程中（噴射時刻為ABDC65°曲軸轉(zhuǎn)角），模擬結(jié)果與試驗條件下所獲得的結(jié)果幾乎完全一致，從而證明了物理模型與求解器的正確性。

2 初始條件的確定

為了獲得模擬所需要的初始條件和邊界條件，采用AVL Boost軟件進(jìn)行粗略模擬，得到掃氣道和排氣道的壓力、溫度等數(shù)據(jù)（見表3）。圖7和圖8示出大負(fù)荷下掃氣道與排氣道的壓力曲線，以此作為計算過程中的邊界條件。

表3 大負(fù)荷下初始條件

3 計算結(jié)果與分析

圖9示出不同噴油時刻下在BTDC15°時刻汽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布。從圖9可知，當(dāng)ABDC0°時開始噴射燃油，雖然最終形成了均勻混合氣，但是在排氣道位置明顯看到了汽油的存在。說明此時噴射的燃油易于隨氣流運動形成短路，造成THC化合物排出增加。在ABDC30°開始噴射燃油時，由于混合時間過短，在BTDC15°時刻不能形成均質(zhì)混合氣。為了能使燃油與空氣有充分的時間混合，應(yīng)該在燃油不發(fā)生短路的前提下盡早噴射。在圖9b中，ABDC15°開始噴射燃油，排氣道內(nèi)部不存在燃油，并且能夠形成較好的均質(zhì)混合氣。

圖10示出不同時刻缸內(nèi)速度場變化，噴油時刻為ABDC15°。由圖10可看出，在ABDC0°時刻，掃氣道的速度與排氣口的速度較大，排氣道末端還沒有掃氣流過，速度基本為0；在ABDC58°時刻，由于關(guān)閉了掃氣道與排氣道，氣缸內(nèi)的氣體流動速度迅速降低，且在氣缸與排氣道還存在的縫隙位置速度較大；當(dāng)活塞繼續(xù)上行，由于活塞運動產(chǎn)生的滾流迅速破碎形成流速較快的局部滾流，氣缸內(nèi)的流速升高，這些破碎的滾流有助于燃油與空氣進(jìn)行更加迅速的擴(kuò)散混合，形成均質(zhì)混合氣。

圖11示出不同時刻缸內(nèi)燃料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的變化，噴油時刻為ABDC15°。由圖11可知，汽油噴射后隨在掃氣口產(chǎn)生的縱向滾流運動，蒸發(fā)混合，在BTDC15°時基本形成均勻的燃油混合氣。在ABDC 15°時刻噴射，噴霧錐角較小，燃油隨滾流運動避免了短路，改善了發(fā)動機(jī)的排放性能。

4 結(jié)論

a）采用旋流噴油器后，燃油以螺旋傘狀噴入氣缸，其噴霧錐角相較于一般直噴式噴油器更大，貫穿距離更短，應(yīng)用到二沖程直噴發(fā)動機(jī)上可以彌補其高轉(zhuǎn)速、油氣混合時間短的不利影響，容易形成更為均勻的混合氣；

b）在二沖程直噴發(fā)動機(jī)上應(yīng)用旋流噴油器后，加快了燃油的蒸發(fā)混合，模擬結(jié)果顯示，在ABDC 15°開始噴射更有利于均質(zhì)混合氣的形成，并且避免了二沖程發(fā)動機(jī)燃油易于短路而造成的燃料浪費和空氣污染等缺點，提高了發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性。

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