對置活塞對置氣缸發動機性能模擬研究*

徐元利，焦志勇，孫苗鐘，周玉存，談炳發

(天津科技大學機械工程學院，天津 300222)

前言

在20世紀初，曾有人提出了對置活塞的發動機形式(如Junkers發動機)和對置氣缸的發動機形式(如Boxer發動機)。Junkers發動機由于其升功率高而被用于螺旋槳戰斗機;而Boxer發動機可以平衡往復慣性力從而大大減小發動機的振動。但由于與傳統發動機相比，這兩種發動機結構復雜，對制造工藝和材料性能要求高，且可靠性有待改善，使它們逐漸淡出了人們的視線。

近年來，隨著內燃機新材料新工藝制造技術的突飛猛進，使這兩種發動機概念又被重新提及。文獻［1］中把兩種形式結合在一起，提出了對置活塞對置氣缸(opposed piston opposed cylinder，OPOC)的概念，開展了高功率壓燃式OPOC發動機的研究［2］，這種發動機結合了兩種發動機的長處，熱效率高達41%，升功率可達88kW/L。

由于OPOC發動機采用對置活塞、對置氣缸二沖程的結構，噴油器沿氣缸徑向布置，且油束要同時適應內、外活塞兩個燃燒室;再加上這種發動機國內外的研究資料較少［3-6］，因此給研究工作帶來了相當大的難度和挑戰。

前階段利用CFD軟件研究了OPOC柴油機不同進氣方式形成渦流和滾流的效果。著重優化滾流的形成方式，比較渦流、滾流情況下缸內流動的特點，研究兩種流動方式對燃燒的影響。結果表明，缸內流動形式對燃燒的影響有很大差異。其中，組織滾流能大大提高上止點附近的缸內湍流動能，加快燃燒進程，減小向缸壁的傳熱損失，從而提高了OPOC 柴油機的性能［7］。

為了對新開發的OPOC發動機的性能進行研究，本研究依照前期三維計算所得放熱規律進行一維計算。利用GT-power軟件對OPOC發動機進行模型的建立和性能模擬，從而為這種發動機的設計提供理論依據。

1 研究目標

本文中研究的OPOC發動機是一臺單缸排量為1.34L、二沖程、水冷、直噴式柴油機。它采用電控高壓共軌燃油噴射系統。該發動機的研究分3個階段，各階段的研究目標參照文獻［1］確定，見表1。

表1 各階段的研究目標

2 發動機的性能優化

2.1 計算的初始條件和邊界條件

計算的初始條件和邊界條件見表2，進、排氣口流通面積隨曲軸轉角的變化見圖1和圖2。

表2 計算的初始條件和邊界條件

2.2 缸內熱力過程基本方程

內燃機缸內的工作過程可用3個基本參數(p，T，m)來表示缸內氣體的狀態，并且可以通過能量守恒方程、質量守恒方程和理想氣體狀態方程把整個工作過程聯系起來。

2.2.1 能量守恒方程

根據熱力學第一定律，可以建立內燃機缸內能量守恒方程式:

式中:U為系統的內能;W為作用在活塞上的機械功;Qi為通過系統邊界交換的熱量;hj為比焓;hj·dmj為質量dmj帶入(或帶出)系統的能量。

2.2.2 質量守恒方程

忽略泄漏，內燃機缸內的氣體質量變化量等于噴入氣缸的燃料質量、流入氣缸的氣體質量與流出氣缸的氣體質量之差，即

式中:mB為噴入氣缸燃料質量，kg;ms為流入氣缸的氣體質量，kg;me為流出氣缸的氣體質量，kg。

2.2.3 氣體狀態方程

對于理想氣體來說，滿足理想氣體狀態方程:

式中Rg為氣體常數，J/(kg·K)。

2.3 模型的建立

由于兩個氣缸的對稱性，為了簡化計算模型，只對其中一個氣缸進行建模。另外，由于OPOC發動機氣缸的特殊性，即一個氣缸內包括兩只活塞、兩套連桿，與同一根曲軸相連，因此，無法用傳統發動機的建模形式。本文中利用GT-power軟件，采用獨特的建模形式，即兩個氣缸采用V形180°布置，使兩氣缸在同一水平面內;發火間隔為0°，使兩活塞同時到達上止點，以實現對置運動;兩氣缸用一厚度極小的管道連接以實現一個氣缸、兩只活塞、兩套連桿與同一根曲軸相連。計算模型見圖3，依照前期三維計算所得放熱規律進行一維計算［7］。

2.4 模型的校正

參照表2中所給的邊界條件，對2 500r/min、80N·m這一工況點的性能進行模型校正，結果與FEV資料上所給的數據基本吻合［1］。該工況點性能的計算結果見表3。

表3 2 500r/min、80N·m工況點的性能

2.5 性能模擬

模型確定以后，對1 500、2 500和3 800r/min的外特性點性能進行模擬，主要包括:進、排氣管直徑，進氣壓力，供油提前角和噴油嘴方案的優化，為發動機設計和試驗提供理論依據。

2.5.1 進、排氣管直徑的優化

改變進、排氣管的直徑，共有3個方案。方案1:進氣50mm、排氣40mm;方案 2:進氣 58mm、排氣48mm;方案3:進氣65mm、排55mm。3個工況點的性能計算結果見表4～表6。

表4 進、排氣管內徑對1 500r/min外特性點的性能影響

表5 進、排氣管內徑對2 500r/min外特性點的性能影響

表6 進、排氣管內徑對3 800r/min外特性點的性能影響

由表可見:進、排氣管內徑的變化對1 500r/min外特性點的性能影響不大，而對2 500和3 800r/min外特性點的性能影響較大。后兩個工況性能隨進、排氣管內徑的增大逐漸得到改善，方案3已基本達到預期目標要求，以下計算進、排氣管的內徑均按方案3進行。

2.5.2 進氣壓力的優化

由于所研制樣機擬采用模擬增壓進行試驗研究，為了提高計算的準確性，本次計算未在對置二沖程計算模型中加上渦輪增壓器。

對于實際發動機，進氣壓力發生變化后，排氣壓力也相應變化，本次計算根據進氣壓力和渦輪增壓器效率來估算排氣壓力，其值為進氣壓力的0.8～0.9倍。

表7～表9分別為進氣壓力對3個工況點性能的影響。由表可見，隨著進氣壓力升高，發動機性能逐漸得到改善，當3個工況點進氣壓力分別為0.25、0.30和0.35MPa時，各工況點性能接近或達到預期目標。以下進氣壓力均按此值計算。

表7 進氣壓力對1 500r/min外特性點的性能影響

表8 進氣壓力對2 500r/min外特性點的性能影響

表9 進氣壓力對3 800r/min外特性點的性能影響

2.5.3 供油提前角的優化

表10～表12分別為供油提前角對3個工況點性能的影響。

表10 供油提前角對1 500r/min外特性點的性能影響

由表可見，供油提前角對發動機性能影響有較大影響，當供油提前角為-20°CA時，3工況點性能較優。

2.5.4 噴油嘴方案的優化

表11 供油提前角對2 500r/min外特性點的性能影響

表12 供油提前角對3 800r/min外特性點的性能影響

噴油嘴的設計方案有 3種:3×φ0.22，4×φ0.19和3×φ0.17。各轉速外特性點的性能計算結果見表13～表15。

表13 油嘴方案對1 500r/min外特性點的性能影響

表14 油嘴方案對2 500r/min外特性點的性能影響

表15 油嘴方案對3 800r/min外特性點的性能影響

由表可見，3×φ0.17油嘴低速性能較好，而3×φ0.22油嘴高速性能較好，綜合3種油嘴的性能，考慮加工工藝性等方面的影響，選用3×φ0.22為宜。

2.5.5 最終優化的性能指標

最終優化的性能指標見表16。3個工況點缸壓曲線見圖4～圖6。

表16 最終優化的性能指標

1 500r/min外特性工況點，最高燃燒壓力為11.6MPa，相位為 12.2°CA;最大壓力升高率為0.42MPa/°CA。

2 500r/min外特性工況點，最高燃燒壓力為11.9MPa，相位為 12.3°CA;最大壓力升高率為0.45MPa/°CA。

3 800r/min外特性工況點，最高燃燒壓力為11.9MPa，相位為 12°CA;最大壓力升高率為0.41MPa/°CA。

由上述燃燒特征參數可知，3個工況點最高燃燒壓力相位均在上止點后10°CA左右，燃燒效率較高，最大壓力升高率均低于0.5MPa/(°)CA，有效控制了燃燒噪聲和振動。

3 結論

針對OPOC發動機的特殊性，本文中建立了相應的計算模型。計算結果表明，模型可以適于該類發動機的性能模擬計算。利用該模型對其進排氣管內徑、進氣壓力、供油提前角和油嘴方案等進行的優化結果表明:發動機3個工況點的性能指標均可以達到預期的目標。

［1］ Peter H.Opposed Piston Opposed Cylinder(OPOC)Engine for Military Ground Vehicles［C］.SAE Paper 2005-01-1548.

［2］ Franke M，Huang H，Liu J P，et al.Opposed Piston Opposed Cylinder(OPOCTM)450 hp Engine:Performance Development by CAE Simulations and Testing［C］.SAE Paper 2006-01-0277.

［3］ 張元濤，王鳳霞，石為人.大型低速二沖程船用柴油機建模及仿真［J］.船舶工程，2009，31(3):11-14.

［4］ 李奉香，黃政.船舶二沖程柴油機熱力過程仿真研究［J］.中外船舶科技，2007(4):23-26.

［5］ 王海燕，張均東，任光.二沖程柴油機扭矩預測模型與系統仿真［J］.系統仿真學報，2006(z2):89-91.

［6］ 來海菊.二沖程汽油機掃氣過程的模擬［J］.拖拉機與農用運輸車，2006，33(6):54-55.

［7］ 許漢君，宋金甌，姚春德，等.對置二沖程柴油機缸內流動形式對混合氣形成及燃燒的模擬研究［J］.內燃機學報，2009，27(5):395-400.