采用旋流噴油器的二沖程直噴汽油機混合氣形成過程的數值解析

李新海，許伯彥，張壽榮，趙秀亮

（1.山東建筑大學機電工程學院，山東 濟南 250101；2.山東大學能源與動力工程學院，山東 濟南 250100）

面對當前日益嚴格的汽車排放標準以及日益嚴重的環境和能源問題，人們不斷研究和尋找提高燃油經濟性和降低排放的方法。二沖程發動機具有升功率高、做功密集度大、運轉平穩、機械損失少、結構簡單、制造成本低及維修方便等優點［1］，可以使汽車動力性更好。但是傳統二沖程發動機在掃氣過程中容易產生可燃混合氣短路等現象，造成燃油經濟性差和未燃碳氫（THC）化合物排放升高等問題，二沖程發動機曾經被淘汰出市場［2］。近十年來，在四沖程機上采用的缸內直噴技術為解決二沖程汽油機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束后直接將燃料噴入氣缸，實現單純空氣掃氣，從而極大地改善了二沖程汽油機的燃油消耗和排放水平［3］。

目前，國內外所研究的二沖程直噴發動機僅限于使用直射式噴油器進行噴射，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的摩托車化油器發動機為基礎，設計了直噴系統，采用單孔軸針式噴嘴和自己研發的脈沖噴射系統，可完全消除原機燃油短路的現象；在低速低負荷工況下，通過實現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動機均質混合氣形成的需要［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］，能在更短的時間內使二沖程發動機內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，并對其噴霧形態的變化進行了對比。建立了二沖程直接噴射發動機的計算模型，得到了二沖程直噴發動機應用旋流噴油器后在缸內形成均質混合氣的最佳噴油時刻，模擬了在這一噴射正時下缸內混合氣的形成過程。

1 計算模型及模擬方法

為了研究二沖程直噴汽油機均質混合氣的形成過程，采用三維建模軟件Pro／E建立發動機實體模型，輸出.stl格式文件導入Fire軟件中進行網格劃分及模擬計算［7］。所采用模型的基本參數見表1。圖1示出二沖程直噴發動機的工作原理示意。發動機設計為4個掃氣道與1個排氣道結構，噴油器中置，火花塞置于排氣道一側的氣缸蓋位置。當排氣道與掃氣道同時打開時，氣流由掃氣道進入，在缸內形成縱向滾流，掃氣氣流推動廢氣由排氣道排出［8］。

表1 發動機參數

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動機混合氣的形成更加快速、均勻，本研究采用靜態噴霧的方式，通過直射式噴油器和旋流噴油器的靜態噴霧圖對噴霧貫穿距及噴霧錐角進行比較［9－10］。

圖2示出壓力渦流噴油器的實體結構與網格結構。其基本原理是燃油由進口流入噴油器，經旋流槽的引導進入噴孔。由于旋流槽與噴孔呈一定角度，所以會產生圓周運動，根據能量守恒定律，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。

旋流噴油器是由進口壓力產生動力，燃油在噴油器內部被引導著作旋流運動，由于離心力和噴射壓力的雙重作用，燃油離開噴孔時呈現出中空圓錐形極薄液膜的特殊形態［11］。這種噴霧形態受背壓影響較小，具有很快的擴散混合速度。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汽油機混合氣形成時間短的不利因素［12］。在二沖程發動機高轉速的情況下應用旋流噴油器，能使噴出的燃油更易與空氣混合，形成均質混合氣。

1.2 數學方程及計算模型

描述二沖程直噴發動機混合氣形成過程的數學方程包括質量守恒方程、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、破碎以及碰壁模型等［13－14］，圖4示出發動機氣缸三維模型和網格模型。

1.3 驗證試驗

為了驗證二沖程直噴發動機燃油與空氣在缸內的混合，在1臺單缸機（見表2）上設計了一套可視化設備，通過在氣缸蓋上安裝內窺鏡拍攝照片來實現（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，計算模型的網格數量為445 932，轉速為1 700r／min。將得到的模擬結果與試驗結果進行對比分析，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

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尺尺度。因為實驗室采用將內窺鏡插入缸內進行拍照的方法，所以這些標尺線就變得扭曲了，但不影響試驗拍攝濃度場的效果。

從圖6可看出，在ABDC75°曲軸轉角開始霧化的過程中（噴射時刻為ABDC65°曲軸轉角），模擬結果與試驗條件下所獲得的結果幾乎完全一致，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軟件進行粗略模擬，得到掃氣道和排氣道的壓力、溫度等數據（見表3）。圖7和圖8示出大負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 大負荷下初始條件

3 計算結果與分析

圖9示出不同噴油時刻下在BTDC15°時刻汽油質量分數的分布。從圖9可知，當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°時刻不能形成均質混合氣。為了能使燃油與空氣有充分的時間混合，應該在燃油不發生短路的前提下盡早噴射。在圖9b中，ABDC15°開始噴射燃油，排氣道內部不存在燃油，并且能夠形成較好的均質混合氣。

圖10示出不同時刻缸內速度場變化，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，由于關閉了掃氣道與排氣道，氣缸內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；當活塞繼續上行，由于活塞運動產生的滾流迅速破碎形成流速較快的局部滾流，氣缸內的流速升高，這些破碎的滾流有助于燃油與空氣進行更加迅速的擴散混合，形成均質混合氣。

圖11示出不同時刻缸內燃料質量分數分布的變化，噴油時刻為ABDC15°。由圖11可知，汽油噴射后隨在掃氣口產生的縱向滾流運動，蒸發混合，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，改善了發動機的排放性能。

4 結論

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，應用到二沖程直噴發動機上可以彌補其高轉速、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）在二沖程直噴發動機上應用旋流噴油器后，加快了燃油的蒸發混合，模擬結果顯示，在ABDC 15°開始噴射更有利于均質混合氣的形成，并且避免了二沖程發動機燃油易于短路而造成的燃料浪費和空氣污染等缺點，提高了發動機的燃油經濟性和動力性。

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