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某二沖程汽油機氣口 1D-3D 耦合數(shù)值模擬研究
泰州技師學(xué)院 丁秋明 2019/2/2 10:42:01
摘 要：二沖程汽油機的氣口參數(shù)對于提高燃油效率具有重要的作用，得到越來越多的關(guān)注。首先通過 CATIA5.0 建立某型二沖程汽油機的三維模型，對其氣口的關(guān)鍵參數(shù)進行分析，然后采用 1D-3D 耦合法分析該型發(fā)動機氣口的氣流流動狀況，該方法兼顧了氣口的動態(tài)效應(yīng)和三維結(jié)構(gòu)對氣口氣流的影響，最后基于 1D-3D 耦合分析理論，采用 AVL 公司的熱力學(xué)分析軟件 BOOST 和流體分析軟件 FIRE 進行分析，結(jié)果對原型機氣口參數(shù)的優(yōu)化具有重要的工程指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：二沖程汽油機；氣口；1D-3D 耦合
0引言
二沖程汽油機具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、升功率大等眾多優(yōu)點，但同時存在工作粗暴、燃油耗油率高等明顯缺陷。342 型二沖程汽油機采用化油器式曲軸箱回流掃氣形式，燃燒和放熱比較平穩(wěn)，空中停留時間長，其機缸體和氣道均采用鋁合金鑄造，因結(jié)構(gòu)限制不便進行機械加工，其質(zhì)量完全依靠鑄造的質(zhì)量來保證。缸體是汽油機上最重要的部件之一，四周均勻分布著進氣口、排氣口以及掃氣口，氣口的各項參數(shù)直接影響發(fā)動機的換氣品質(zhì)和整體性能。汽油機缸內(nèi)氣流的組織和運動對汽油機燃燒過程起著重要的作用，進而影響內(nèi)燃機的整體性能和排放水平，而發(fā)動機進氣道的氣流流動特性在很大程度上決定著缸內(nèi)氣流的組織和運動。目前主要采用一維熱力學(xué)數(shù)值模擬或三維數(shù)值模擬技術(shù)分析進氣道的氣流流動情況。
本文創(chuàng)新地結(jié)合了兩種算法的優(yōu)點，對進氣道采用 1D-3D 耦合計算法，利用 AVL 公司BOOST 和 FIRE 軟件分析了該型二沖程汽油機的進排氣過程，綜合考慮了實際工況和實際結(jié)構(gòu)對發(fā)動機性能的影響，對氣道進行三維瞬態(tài) CFD 分析，對發(fā)動機熱力系統(tǒng)的其它部分進行一維熱力學(xué)分析，從而對氣道的流動性能進行了全面的分析[1]，分析結(jié)果對該型發(fā)動機氣道的改進具有重要的指導(dǎo)意義。
1 1D-3D 耦合接口原理
在建立的三維 CFD 湍流模型的進氣道選擇一段計算域，同時在一維熱力學(xué)模型中增添相關(guān)的管道附加單元，此區(qū)域即為一維計算模塊和三維 CFD 湍流計算模塊的數(shù)據(jù)信息交換區(qū)域。在數(shù)值模擬的每一個時間步長里，三維 CFD 湍流模型將得到的速度、壓力、動量等數(shù)據(jù)傳遞到一維熱力學(xué)模型的附加管道中進一步來求解整個發(fā)動機的管道流動數(shù)據(jù)，最后將得到的數(shù)據(jù)交換區(qū)域的關(guān)鍵參數(shù)作為三維 CFD 湍流模型在該時間步長上的邊界條件。
2 進氣道 1D-3D 耦合數(shù)值模擬分析
2.1 原型機 1D-3D 耦合分析模型
圖1 342 型二沖程汽油機一維熱力學(xué)耦合模型
采用 1D-3D 耦合計算法對 342 型二沖程汽油機的進氣道進行三維流動問題的分析，圖1為該型發(fā)動機一維熱力學(xué)計算模型，圖 1 中紅色方框內(nèi)為三維耦合計算區(qū)域，圖中 L1-L3為1D-3D 耦合數(shù)據(jù)交換單元。
2.2 1D-3D 耦合結(jié)果分析
圖 2 排氣口和燃燒室在相應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角下速度場分布情況
數(shù)值模擬計算從92°開始到270°結(jié)束，進行12個周期循環(huán)。通過三維數(shù)值計算可以得到該型發(fā)動機缸體各個氣口和氣道在不同曲軸轉(zhuǎn)角下的流場分布結(jié)果，限于文章篇幅有限，且342型二沖程發(fā)動機第1缸和第2缸的性質(zhì)和流場分布情況近乎一樣，所以本文具體分析第1缸的缸體排氣口和排氣道改進前后流場分布情況。
圖2(a)和圖3(b)分別為當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角達到130°CA ATDC附近時，優(yōu)化前后氣口燃燒室縱向切面速度矢量分布圖。在曲軸轉(zhuǎn)角達到130°CA ATDC時，此時隨著活塞的漸漸下移，掃氣口的被活塞打開的面積已經(jīng)逐漸增大，同時由于此時曲軸箱的壓力值已經(jīng)快要接近峰值（0.134MPA），掃氣氣流流速很大，掃氣氣流經(jīng)過掃氣口進入燃燒室 ，對稱的掃氣氣流在氣缸中心發(fā)生碰撞向排氣道擴散，在排氣口附近區(qū)域形成回流，一部分高速的掃氣氣流和上一個工作循環(huán)產(chǎn)生的缸內(nèi)廢氣相混合一起直接從排氣口排出，造成新鮮充量的短路損失。采用氣口參數(shù)中值法重新優(yōu)化氣口關(guān)鍵參數(shù)后，掃氣氣流經(jīng)過掃氣口到達燃燒室后在燃燒室頂部形成更為明顯的渦流運動，流速有小幅度的提高，燃燒室其余氣流被分裂成若干個小渦團，新鮮充量與廢氣混合更為充分，排氣口附近區(qū)域回流造成的短路損失得到了很好的改善，從而有利于燃燒室內(nèi)混合氣體燃燒過程的進行和廢氣的快速排出[2]。
圖2(c)和圖3(d)分別為當(dāng)曲軸（未完，下一頁）
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