基于AVL-FIR的某二冲程汽油机气口优化
摘 要：二冲程汽油机的气口参数对于提高燃油效率具有重要的作用，得到越来越多的关注。首先通过 CATIA5.0 建立某型二冲程汽油机的三维模型，对其气口的关键参数进行分析，然后基于气口参数中值法检验原有气口参数的合理性，同时利用 AVL_FIRE 软件对改进前后汽油机缸体建立三维计算模型来进行气口的流场分析，并通过发动机稳态流动试验验证模型的有效性，继而提出合理的气口关键参数改进方案，气口优化后原型机排气口的短路损失得 到了很好的改善，同时排气道中上段的气流运动和流体速度以及燃烧室压力都得到了有效的增强，发动机的整机性能得到了极大的提高。
关键词：二冲程汽油机；气口；中值法；三维模拟计算
0引言
二冲程汽油机具有重量轻、结构简单、升功率大等众多优点，但同时存在工作粗暴、燃油耗油率高等明显缺陷。342 型二冲程汽油机采用化油器式曲轴箱回流扫气形式，燃烧和放热比较平稳，缸体和气道均采用铝合金铸造，因结构限制不便进行机械加工，其质量完全依靠铸造的质量来保证。在不改变原有机型整体结构的前提下，采用优化气口关键参数的方法来提高动力性和降低燃油消耗率具有实际工程意义。缸体四周均匀分布着进气口、排气口以及扫气口，气口的主要参数有高度、宽度、配气相位角等，其中最核心的是比时间截面值。比时间截面值表征了内燃机换气气体通过各个气口的流通能力，是工作循环内达到良好换气效果的先决条件，其它气口参数都是为满足比时间截面值而给定的[1]。
目前行业在设计曲轴箱回流扫气二冲程汽油机时，类比法和计算法是最常用的方法。本文创新地采用气口尺寸中值法来优化设计 342 型二冲程汽油机，并提出使用比时间截面值这一核心参数作为优化设计的校验和参考，并且贯穿优化计算始终。合理的缸体气口尺寸有利于缸内分层充气，促进缸内混合气浓度场和流场的分布，从而进一步降低燃油消耗率提高整机性能[2]。
1 优化方案计算
气口时间截面值是活塞打开气口面积的时间积分，而比时间截面值是气口时间截面值与气缸工作容积的比值，即单位工作容积的时间截面。本文采用系数计算法计算原型机各个气口的比时间截面值。在不改变342型二冲程汽油机空间位置分布和气口数量的前提下对原机型设计不合理的排气口和扫气口进行优化计算，具体计算结果见表1。
表1 优化计算前后缸体气口主要参数对照表
2发动机气口三维数值分析
2.1缸内流场分布比较分析
在曲轴转角达到 130°CA ATDC 时，此时随着活塞的渐渐下移，扫气口的被活塞打开的面积已经逐渐增大，同时由于此时曲轴箱的压力值已经快要接近峰值（0.134MPA），扫气气流流速很大，扫气气流经过扫气口进入燃烧室 ，对称的扫气气流在气缸中心发生碰撞向排气道扩散，在排气口附近区域形成回流，一部分高速的扫气气流和上一个工作循环产生的缸内废气相混合一起直接从排气口排出，造成新鲜充量的短路损失。采用气口参数中值法重新优化气口关键参数后，扫气气流经过扫气口到达燃烧室后在燃烧室顶部形成更为明显的涡流运动，流速有小幅度的提高，燃烧室其余气流被分裂成若干个小涡团，新鲜充量与废气混合更为充分，排气口附近区域回流造成的短路损失得到了很好的改善，从而有利于燃烧室燃烧的进行和废气的快速排出。
在曲轴转角达到 100°CA ATDC 时，排气口附近的气流流速很高，而此时燃烧室内的气流流速相对较小，由于此时排气口开启面积小，且排气道开口方向向上倾斜，故在燃烧室顶部形成一个流速相对较小的回流。由于此时由于排气口开启的面积小，且燃烧室的有效容积较小，此时燃烧室的压力相对较大，但随着活塞的不断下移，排气口的面积不断增大，燃烧室的压力迅速下降。此时贴近排气口一侧局部区域气流速度较快，但排气道整体气流速度较慢，整体尚未形成强烈的有规律的气流运动。采用气口参数中值法重新优化气口关键参数后，排气口产生的高速气流经排气口快速流出在排气道顶端区域形成了高速的回流运动，气流速度的最大值出现在回流气流的最外端与排气道相切的区域，优化效果明显。此时排气道中段及其下端同时存在若干零星的紊流，尚未形成大范围的涡流运动，改善效果不太明显。气口优化后排气道中上段气流运动的范围和流体速度都得到了明显改善，有利于废气的快速排出和发动机整体性能的提高。
图 1 排气口和燃烧室在相应曲轴转角下速度场分布情况
2.2 燃烧室和曲轴箱压力比较分析
图2 给出了不同曲轴转角下燃烧室和曲轴箱优化前后压力分布云图，当曲轴转角达到 92°时，该型二冲程发动机处于纯排气阶段，燃烧室内在上一个工作循环产生的废气和掺杂的少量的新鲜充量在曲轴箱和燃烧室压力差的作用下从排气管排出，初期为超音速流动，后期为亚音速流动[3]。优化前后燃烧室和曲轴箱都存在压差，虽然优化前后曲轴箱压力无明显差异，但是优化后燃烧室的压力稍高于优化前燃烧室的压力，从而加大了燃烧室与排气口和排气道的压力差，由于此时发动机缸体处于纯排气阶段，燃烧室压力的提升有利于上一工作循环高温废气的快速充分排出，从而进一步有利于燃烧做功冲程的进行。当曲轴转角达到 220°时，优化前后曲轴箱和燃烧室压力变化不明显，优化方案对该型二冲程汽油机循环周期后半段压力无明显提高。
(a) 92°CA ATDC （b） 220°CA ATDC
图 2 优化前后燃烧室曲轴箱纵向切面压力分布图
3 结论
1）采用比时间截面系数法得出 342 型二冲程汽油机各个气口的比时间截面值，用气口尺寸中值系统推荐的分布范围加以验证原机型气口主要参数的合理性，发现原型机排气口和扫气口的气口关键参数不太合理，同时选用中值系统推荐的气口参数密集值作为不合理气口优化目标值。
2）改进方案中该型二冲程汽油机排气口宽度提高了 15.5％，高度提高了 1.07％，扫气口宽度提高 21％，高度提高 30.4％，使用 AVL_FIRE 建立三维数值模型并用发动机气口稳态流动试验验证了模型的有效性，气口优化后原型机排气口的短路损失得到了很好的改善，同时排气道中上段的气流运动和流体速度以及燃烧室压力都得到了有效的增强，发动机的整机性能得到了提高。
[参考文献] (References)
[1] Ambler M, Zocchi A. Development of the aprilla DIT ECH 50 engine[ C] . SAE 200120121781.
[2] Houston R, Archer M, Moore M , et al. Development of a durable emissions control system for an auto mot ive.
[3] 蒋炎坤,钟毅荣，罗马吉，等.二冲程发动机扫排气道-缸内系统三维瞬态数值模拟研究[J].内燃机学报，2001,19(2)：159~164.
