楊 琦，楊海青

(南京航空航天大學能源與動力學院，南京 210016)

二沖程發(fā)動機存在著自身難以克服的缺點，如掃氣效率低、短路損失大、燃油消耗率高、有較明顯的燒機油現(xiàn)象、機油消耗量大且潤滑效果差、HC和NOx等有害物質(zhì)的排放嚴重、工作噪聲大等［1］。但是，二沖程汽油機同時有四沖程不可比擬的優(yōu)勢和特點:升功率高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠性高、安裝體積小等。這些優(yōu)點在汽車和摩托車發(fā)動機領(lǐng)域、航空活塞發(fā)動機以及其他各種小型機械的動力裝置領(lǐng)域都有著巨大的實際應(yīng)用價值［2］。

目前，對于二沖程發(fā)動機的改良和優(yōu)化主要集中于2個方面:一是著眼于二沖程發(fā)動機缸內(nèi)直噴技術(shù)的研究，但是目前依舊存在很多難題;另一個方向是針對現(xiàn)有的二沖程發(fā)動機進、排氣系統(tǒng)的改進，通過對進、排氣系統(tǒng)以及關(guān)鍵節(jié)流部件的設(shè)計改進，增加循環(huán)進氣量，改善進氣特性，進而改善發(fā)動機的性能特性。第2個方向的研究已經(jīng)有較多的成果，各種相關(guān)的措施和方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，尤其在針對不同工況的樣機改良等方面，具有更為實際的意義［3］。

同一款發(fā)動機，針對不同的用途，有不同的工況范圍。有些工況需要發(fā)動機長時間維持高轉(zhuǎn)速，有些則對發(fā)動機的最高轉(zhuǎn)速有所限制。如何讓同一款發(fā)動機適應(yīng)不同工況和用途的需要，并發(fā)揮發(fā)動機的最大性能，是本文所要討論的重點。

本文針對某二沖程簧片閥進氣的汽油發(fā)動機，通過試驗論證和仿真預(yù)測，尋找可以改變發(fā)動機輸出特性的方式，并加以驗證。主要研究對象包括簧片閥、掃氣相位、排氣相位、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等。針對發(fā)動機進、排氣系統(tǒng)，對發(fā)動機在某一特定工況下的優(yōu)化和匹配進行實例研究，并且為隨后的二沖程發(fā)動機缸內(nèi)直噴系統(tǒng)的研究進行工程準備和方法積累，總結(jié)相關(guān)的仿真以及改良的經(jīng)驗。

1 計算機模擬和主要研究對象介紹

1.1 一維發(fā)動機仿真軟件介紹

本文的所有仿真計算使用的都是由美國的Gamma Technologies公司開發(fā)的GT-Power軟件。作為一維算法，GT-Power設(shè)定所有流體為均勻的，并使用流體連續(xù)方程推導出管內(nèi)一維非定常流動的基本方程，主要的參變量為質(zhì)量流量、密度、內(nèi)能總和［8－10］。

圖1為二沖程發(fā)動機換氣系統(tǒng)氣流通道計算模型簡圖，發(fā)動機的氣流通道為“大氣→節(jié)氣門→掃氣道→簧片閥→曲軸箱→掃氣道→掃氣口→氣缸→排氣口→排氣道→大氣”。

圖1 二沖程發(fā)動機換氣系統(tǒng)氣流通道計算模型簡圖

GT-Power軟件將整個發(fā)動機的流動分為以下幾個類別:管道的工質(zhì)流動、節(jié)流口的工質(zhì)流動、接口的工質(zhì)流動、簧片閥的工質(zhì)流動以及燃燒室內(nèi)部的流動［11－12］。根據(jù)能量守恒定律、質(zhì)量守恒定律和理想氣體狀態(tài)方程［6，8，10］，可以計算發(fā)動機各個部分的工質(zhì)狀態(tài)和參數(shù)變化。對于燃燒過程，由于不同的著火方式會給燃燒過程造成極大的不同，GT-Power設(shè)置了不同的模塊來進行模擬，而原理都是利用缸壓來預(yù)測放熱率。對于發(fā)動機的摩擦損失壓力，GT-Power有專門的經(jīng)驗公式模塊進行模擬，其中還包括驅(qū)動附件的損失壓力［11－12］。

通過仿真模型可以更好地預(yù)測發(fā)動機的性能，在短時間內(nèi)進行廣泛的變參數(shù)研究，為開發(fā)新型發(fā)動機和提高原有發(fā)動機性能提供指導［1，4］。此外，還能提供目前試驗研究所不能提供的信息量，而且花費小、周期短［2，5］。

1.2 一維發(fā)動機仿真模型

表1為發(fā)動機主要參數(shù)。在發(fā)動機數(shù)值仿真理論以及相應(yīng)的建模步驟的基礎(chǔ)上［7，13］，利用GTPower軟件對原型機進行整機建模。發(fā)動機模型仿真原理如圖2所示。發(fā)動機工作時工質(zhì)按圖中箭頭所示方向完成工作循環(huán)。其結(jié)構(gòu)可以分為缸體、進氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)3個大部分，每個部分中又包括諸多模塊，每個模塊都可以模擬一個發(fā)動機部件。仿真模型截圖如圖3所示。

表1 發(fā)動機具體參數(shù)

模型中主要的部件包括簧片閥、進排氣系統(tǒng)、燃燒模型、燃燒室以及大氣參數(shù)等，這些參數(shù)大多通過原型機手冊確定，另外一些則通過對原型機的實際測量確定。其中存在一定的誤差，誤差的具體來源以及不確定參數(shù)如下:

1)對空濾器、化油器部件的仿真缺陷。使用直管模型代替空濾器，使用變直徑的管道和噴嘴來代替化油器。

2)缺少曲軸箱壓力示功圖。由于實驗條件所限，并未對曲軸箱壓縮比和曲軸箱壓力變化曲線進行實測，曲軸箱壓縮比數(shù)據(jù)使用經(jīng)驗值。

3)進、排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。與排氣道相類似，應(yīng)用的是最初模型的估計值、網(wǎng)上資料中的數(shù)值和粗略的人工測繪。

4)傳熱過程。本文選取的是簡化的傳熱模型。由于在本模型中傳熱狀態(tài)并不需要重點關(guān)注，所以在整個進、排氣過程中，工質(zhì)與氣道壁面的傳熱也是經(jīng)過簡化或者忽略的。

圖2 發(fā)動機模型仿真原理

圖3 發(fā)動機一維性能仿真模型

2 優(yōu)化目標和方法介紹

原型機外特性上的最大輸出功率點的轉(zhuǎn)速為6 300 r/min。根據(jù)實際需要，最高轉(zhuǎn)速一般不會超過5 500 r/min，這造成了最大輸出功率的浪費?；谝陨戏治觯O(shè)立3個優(yōu)化目標:最大輸出功率點的轉(zhuǎn)速在5 500 r/min;提高發(fā)動機5 500 r/min轉(zhuǎn)速下最大輸出功率;減輕發(fā)動機的自重，提高功重比。

主要的優(yōu)化措施:

1)改變簧片閥的閥片材料和開啟特性;

2)優(yōu)化控制進、排氣壓力波;

3)調(diào)整進、排氣正時，優(yōu)化缸內(nèi)掃氣過。

將仿真得到的外特性數(shù)據(jù)與臺架試驗的實測數(shù)據(jù)對比，驗證模型的準確性。由于原型機的參數(shù)資料以及試驗數(shù)據(jù)所限，要求最大誤差不超過10%。本文使用平均有效功率和油耗率作為對比參數(shù)。圖4、5為發(fā)動機外特性數(shù)據(jù)對比，實測值與仿真結(jié)果基本吻合。由于本文所關(guān)注的對象主要是外特性大負荷條件下，所以對在部分符合下的模型的準確性不做過多討論。

圖4 發(fā)動機仿真功率與實際功率對比

圖5 發(fā)動機仿真油耗與實際油耗對比

通過計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比，證明模型具有一定的真實性，可以用作之后的優(yōu)化設(shè)計。

3 性能優(yōu)化和改進

3.1 優(yōu)化方法及原理

通過進行仿真計算可以有效地減少參數(shù)優(yōu)化過程中的工作量。使用變量替換來確定各個參數(shù)對于實際發(fā)動機性能的具體影響，用以指導原型機的改良設(shè)計［13］?？紤]到簧片閥進氣系統(tǒng)的進氣過程以及動排管效應(yīng)對于發(fā)動機性能的影響因素，主要從進、排氣系統(tǒng)等方面進行改進。

3.2 針對簧片閥的優(yōu)化

觀察在最大油門開度下、不同轉(zhuǎn)速時的簧片閥升程參數(shù)。從圖6可以看到，在整個外特性范圍內(nèi)簧片閥的最大開度始終沒有超過6 mm，而簧片閥結(jié)構(gòu)參數(shù)中的最大開度為11 mm，說明閥片材料的剛度過大，其開啟所需的壓差太高。同時進氣管內(nèi)的壓力波動也造成簧片閥開啟壓力不足、開啟遲緩。

圖6 最大油門開度、不同轉(zhuǎn)速時的簧片閥升程參數(shù)

由于簧片閥開啟過程受阻，導致進氣量減少、進氣阻力大、進氣充量小，使低轉(zhuǎn)速小負荷時進氣不暢，高速大負荷處進氣阻力過大，影響輸出功率。因此，考慮通過改良閥片材料特性和合理調(diào)整進氣管內(nèi)壓力波的方法，對閥片開啟過程進行優(yōu)化。

降低閥片材料的彈性模量和密度［14］。經(jīng)過仿真計算，新閥片的開啟壓差與運動慣性力同時減小?？稍诘退贂r減小進氣氣阻，高速時提高響應(yīng)頻率，減少進氣反噴，進而有效提高發(fā)動機的整體性能。圖7、8所示為發(fā)動機進氣量以及輸出功率的對比。

圖7 最大氣門開度下的發(fā)動機進氣量對比

圖8 由碳纖維作為閥片材料后發(fā)動機的輸出功率

3.3 針對進氣管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

“慣性效應(yīng)”是指進氣管內(nèi)的壓力波對其本循環(huán)產(chǎn)生的直接影響?！安▌有?yīng)”是指前一個過程殘余的壓力波對后一個循環(huán)所造成的影響。由于“慣性效應(yīng)”和“波動效應(yīng)”，存在一個針對某一轉(zhuǎn)速的最優(yōu)的進氣管長度，可以達到最佳的充量系數(shù)［15］。

取消原始模型中的濾清器，統(tǒng)一節(jié)氣門前后管道的直徑。當進氣管長度取170 mm時，發(fā)動機的輸出扭矩最高。圖9為發(fā)動機在5 500 r/min轉(zhuǎn)速下的輸出扭矩隨進氣歧管長度變化。但是在氣門全開的情況下，進氣系統(tǒng)中的壓力波運動會被削弱，因此改變進氣歧管的結(jié)構(gòu)對大負荷工況下的最終性能的優(yōu)化結(jié)果并不明顯。

改良后的進氣系統(tǒng)的尺寸明顯減小、質(zhì)量減小，進而可以提高功重比，減小裝配空間。

3.4 調(diào)整掃氣道和排氣道的開閉相位

不同的進、排氣相位，可以使發(fā)動機在某一轉(zhuǎn)速有一個最佳的充量系數(shù)。較遲的排氣道開啟相位可以增加已燃燒氣體的做功時間，有助于提高低速性能，同時會減少掃氣過程的持續(xù)相位，影響發(fā)動機高速特性;而較早的掃氣道開啟相位可以增加高速工況下的掃氣時間，但是過早的掃氣道開啟時間會使掃氣道口產(chǎn)生氣體反噴，影響低速時的進氣量。較高的進、排氣氣道位置以及較大的進排氣相位差有利于高速段的性能提高，而較低的掃、排氣道位置和較大的進排氣相位差有利于低速段的性能提高。過大的掃、排氣道相位差會使得掃氣道口位置過低，減少了有效的掃氣道開啟時間。較小的掃、排氣道開啟相位差又會產(chǎn)生廢氣反噴。

圖9 5 500 r/min大負荷時不同進氣管管長對扭矩的影響

在模型中設(shè)置不同的掃、排氣道相位，發(fā)動機的外特性扭矩仿真結(jié)果如圖10所示。隨著轉(zhuǎn)速增加，4 000 r/min以下的輸出扭矩隨著掃氣道開啟相位的增加先減小再增大;4 500 r/min以上的轉(zhuǎn)速段的輸出扭矩則是先增大再減小。在126°時，5 500 r/min處的輸出性能達到最優(yōu)。而隨著排氣道開啟相位的增加，發(fā)動機的最優(yōu)輸出轉(zhuǎn)速不斷降低，在92°時，發(fā)動機在5 500 r/min處的輸出性能達到最優(yōu)。

依據(jù)圖10所示的仿真結(jié)果，選擇掃氣道口開啟相位為126°，排氣道口開啟相位為92°。將改良后的仿真結(jié)果與原型機進行對比，進氣量、輸出功率、油耗率等數(shù)據(jù)的結(jié)果如表2所示。對比顯示，單獨優(yōu)化氣道相位可以提升對額定工況點的輸出功率10%以上，減少油耗率9%以上，優(yōu)化效果顯著。

圖10 不同掃、排氣道開啟相位下的發(fā)動機外特性輸出扭矩

表2 優(yōu)化氣道相位前后的發(fā)動機輸出性能對比

3.5 對排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的調(diào)整

二沖程發(fā)動機排氣能量大，在排氣管中存在著強烈的壓力波動和迭加。根據(jù)二沖程發(fā)動機換氣過程的特點，理想的排氣波形是在排氣口打開后很快可以形成長時間的負壓區(qū);而在排氣階段后期，掃氣口關(guān)閉之后、排氣口關(guān)閉之前，在排氣口處形成正壓力區(qū)［15］，如圖11所示。

圖11 理想的排氣口波形

合適的排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以在排氣管內(nèi)產(chǎn)生合適的壓力波動，起到提高發(fā)動機的掃氣效率、增加發(fā)動機燃燒室壓力的作用;而不合適的排氣系統(tǒng)會產(chǎn)生不合適的排氣壓力波，會使發(fā)動機排氣阻力增加、掃氣效率下降，甚至出現(xiàn)廢氣反噴等狀態(tài)。

圖12 不同的排氣錐管長度下發(fā)動機的輸出扭矩數(shù)據(jù)

原型機的排氣系統(tǒng)主要由排氣歧管、排氣椎管、膨脹管等組成，分別調(diào)整這3個主要部件的長度，就可以控制壓力波的運動。

圖12所示為不同的排氣錐管長度下發(fā)動機的輸出性能數(shù)據(jù)。較長的排氣錐管可以增加低轉(zhuǎn)速時的扭矩，而較短的排氣錐管則可以提高高速時的扭矩。目標功率輸出轉(zhuǎn)速為5 500 r/min，因此“450mm”的椎管長度符合要求。

改變排氣歧管的長度，可以分別控制每個氣缸排氣口處的壓力波動狀態(tài)。用不同的排氣歧管長度進行仿真計算，得到的發(fā)動機輸出性能如圖13所示。較長的排氣歧管可以增加發(fā)動機的低速性能，而較短的排氣歧管則對高速工況下的性能有較好的改善。目標功率輸出轉(zhuǎn)速為5 500 r/min，因此選用100 mm的排氣歧管長度。

圖13 不同的排氣歧管長度下發(fā)動機的輸出扭矩數(shù)據(jù)

綜合對排氣歧管與排氣椎管綜合改進，如圖14所示。在5 500 r/min轉(zhuǎn)速點，4種結(jié)構(gòu)的輸出扭矩差別不大。考慮到發(fā)動機輕量化的要求，選擇90 mm×400 mm或者100 mm×400 mm的排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖14 不同的排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下發(fā)動機的輸出扭矩數(shù)據(jù)

優(yōu)化后的發(fā)動機功率輸出對比曲線如圖15所示，可提升發(fā)動機5 500 r/min轉(zhuǎn)速點的最大輸出扭矩5%左右。

3.6 多種方法的綜合使用結(jié)果

將多種措施綜合使用。包括改良簧片閥;優(yōu)化進、排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu);調(diào)整進、排氣道口相位等，再次進行仿真計算，結(jié)果如圖16所示。

圖15 排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后發(fā)動機的輸出扭矩數(shù)據(jù)

圖16 發(fā)動機整體優(yōu)化前后的輸出功率數(shù)據(jù)對比

改良前后有顯著的變化:發(fā)動機在低速工況范圍內(nèi)(5 500 r/min以下)的功率輸出都得到了顯著提高，在5 500 r/min時的輸出功率提升量達到了14%;改良機的額定功率相比樣機的額定功率提升達到5%，在高轉(zhuǎn)速下的(6 000 r/min以上)性能明顯下降。以上結(jié)果符合改良的預(yù)期，滿足發(fā)動機實際工況的要求。

4 總結(jié)與展望

對于簧片閥進氣的二沖程發(fā)動機，通過合理調(diào)整發(fā)動機的進、排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可以有效地改變發(fā)動機的輸出特性，大幅度優(yōu)化發(fā)動機的額定工況點的位置以及其輸出性能。其中:調(diào)整簧片閥特性在整個工況范圍內(nèi)都可以明顯提升發(fā)動機的輸出性能;針對進、排氣道開啟相位以及排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所進行的改良可以大幅度改變發(fā)動機的速度特性以及扭矩峰值位置;針對進氣系統(tǒng)，由于在節(jié)氣門全開條件下發(fā)動機的“慣性效應(yīng)”和“波動效應(yīng)”并不明顯，因此對發(fā)動機的輸出特性影響不大。

通過合理的改良操作，將樣機的額定工況點從 6 300 r/min、41 kW，成功改良為5 500 r/min、43 kW，大幅度增加了某型發(fā)動機的應(yīng)用范圍，并實現(xiàn)了輸出性能的充分利用。優(yōu)化后發(fā)動機在5 500 r/min下的最高輸出功率提升了14%，相對于樣機額定輸出功率提高了5%。

在未來的工作中，可以對簧片閥部件進行三維建模，使用1D－3D的耦合計算模式，進一步減小誤差，優(yōu)化進氣系統(tǒng)以及曲軸箱的結(jié)構(gòu)。此外，還可以對燃燒系統(tǒng)進行優(yōu)化改良，全面提高發(fā)動機在各個工況下的輸出性能以及油耗率等技術(shù)參數(shù)，進一步完善二沖程發(fā)動機的優(yōu)化改良工作。

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