二冲程汽油机分层扫气性能的数值模拟研究

文华，刘永长，魏明锐

（华中科技大学能源与动力工程学院）

【摘要】：本文简述了二冲程汽油机常用的两种分层扫气方式—空间分层和时间分层的工作原理，并采用CFD程序对小型二冲程汽油机分别采用均匀扫气和这两种分层扫气方式时的换气过程进行了多维模拟计算。计算结果的比较表明，相对于均匀扫气方式而言分层扫气方式具有燃油短路损失小的优点，但对扫气性能没有明显的影响，且燃油的混合不如均匀扫气充分。

关键词: 二冲程汽油机分层扫气数值模拟

Numerical Study of Stratified Scavenging Performance of

Two-Stroke Gasoline Engine

Wen Hua Lui Yongchang Wei Mingrui

(Energy Resources and Power Engineering School, Huazhong University of Science & Technology)

Abstract: This paper described the principle of two kinds of stratified scavenging method used in two-stroke gasoline engine, namely spatial stratification and timely stratification. A CFD program was used to simulate the gas exchange process of three scavenge methods, uniform scavenging method and former two ones. The research results show that stratified scavenging process could reduce the fuel short-circuiting loss, but hardly effect on scavenging performance, and fuel-air mixture was not uniform, comparing with that of uniform scavenging method.

Keywords: two-stroke gasoline engine; stratified scavenging; numerical simulation

一. 引言

小型二冲程汽油机由于具有结构简单、轻巧易操作和比功率高等优点，目前仍广泛应用于割草机、小排量摩托车等小型动力机械^[1]。然而其扫气过程中短路损失造成大量的新鲜充量直接从排气口流失，使得二冲程汽油机的比油耗和HC排放量与四冲程汽油机相比高出许多，从而阻碍了二冲程汽油机的广泛应用。

分层扫气技术通过合理地组织扫气，用稀混合气或空气将浓混合气和废气隔离开，阻止新鲜混合气直接从排气口流出。采用这一技术可以有效的解决上述问题，不仅成本低，同时还能保留二冲程汽油机结构简单的优点，所以其应用较为普遍。本文介绍了目前常用的两种分层扫气方式，采用计算流体力学的方法模拟发动机分别采用两种分层扫气方式时的气体流动过程，并对计算结果进行了分析。

二. 分层扫气方式

化油器
化油器
簧片阀
排气口
进气道
空气扫气口
混合气扫气口
扫气口
火花塞
排气口
储气通道
(a) 空间分层 (b) 时间分层
图1 分层扫气方式的结构示意图

近二十年来，关于二冲程发动机分层扫气的方式已有不少专利和论文^[1-3]。统观过去的这些文献，根据空气和混合气流入气缸方式的不同，可以粗略地把分层扫气方式分为空间分层和时间分层两类，它们的结构如图1所示，两种方式都需要设置两个进气口，一个吸入空气，另一个带有化油器,吸入浓混合气。在空间分层扫气方式(a)中，空气通过簧片阀直接进入曲轴箱，浓混合气则进入与曲轴箱和气缸相通的储气通道，储气通道的体积应使浓混合气不进入曲轴箱为宜。当活塞下行时，压缩曲轴箱内的空气使其通过空气扫气口进入气缸，同时也作用在储气通道内的浓混合气上使其通过混合气扫气口进入气缸，通过合理布置两组扫气口的位置，使浓混合气尽量贴着远离排气口的气缸壁面流动，使空气射流挤压浓混合气向壁面流动,同时也将浓混合气与废气隔离开，在空间上形成分层。在时间分层扫气方式(b)中, 浓混合气直接进入曲轴箱，空气通过簧片阀后在扫气口附近吸入储气通道，换气过程开始后，位于储气通道前端的空气先流入缸内清扫废气，而后浓混合气才流入，利用时间上的先后在缸内形成分层流动。两种分层方法都是利用空气充当扫气时的短路损失，避免部分燃料直接排出缸外，从而达到节油和降低HC排放的目的。

三. 模拟研究方法

小型二冲程汽油机通常工作在高速工况下，缸内和扫、排气口附近的气体流动呈现出十分复杂的三维流动特征。通过实验的方法测量气体流动及其内部各组分浓度的分布是非常困难的。随计算流体力学（CFD）和计算机技术的发展，CFD方法已经逐步成为发动机设计者不可缺少的工具。本文采用CFD程序KIVA3^[4]模拟计算幸福XF250二冲程汽油机采用两种分层方式时废气和新鲜充量的流动过程，且对程序边界条件的设定做了部分修改，使其能用于本文的多种入口边界条件的计算。

利用三维实体造型软件完成计算域实体模型的造型，并生成KIVA3所需要的块结构化网格，由于该模型为对称结构，计算时取其对称的一半作为计算区域，如图2所示。虽然两种分层扫气方式的扫气道在结构上与均匀扫气方式的有所不同，但本文为便于这三种方式的比较，认为它们的结构相同，仅在初、边界条件上做相应的处理。

图2 流动区域计算网格

图3 压力边界条件

本文计算发动机在某一低负荷工况下，从排气门打开到压缩上止点的过程，转速为4000rpm。边界条件通过一维模拟均匀扫气发动机工作过程提供，计算得到的气缸、曲轴箱和排气口压力如图3所示。后两者分别作为扫气道入口和排气道出口的边界压力，分层扫气时的边界压力与均匀扫气相同。不同扫气方式之间的区别体现在混合气组分在扫气道内和其入口边界条件上的不同，计算中假定混合气由汽油蒸汽、O₂、N₂、CO₂和H₂O组成，计算区域各处组分的初、边界条件列于表1中。其中，气缸和排气道内的初始组分为理论混合比时的完全燃烧产物，边界上的组分为燃油与空气的混合气，三种方式所给燃油质量分数不同的目的在于保证排气门关闭时刻缸内混合气的燃油质量相等，从而使相互间的比较具有共同的基准。

表1 各组分的初、边界条件

组分		燃油	O₂	N₂	CO₂	H₂O
缸内和排气道		0.0	0.0	0.693	0.231	0.076
均匀扫气	扫气道及边界	0.112	0.195	0.703	0.0	0.0
空间分层	主扫气道及边界	0.0	0.22	0.78	0.0	0.0
空间分层	副扫气道及边界	0.274	0.160	0.576	0.0	0.0
时间分层	扫气道	0.0	0.22	0.78	0.0	0.0
时间分层	入口边界	0.119	0.194	0.697	0.0	0.0

四. 计算结果及分析

由于多维模拟得到的数据量太大，在这里仅给出能展现扫气过程分层特点的部分片段，图4-6分别为BDC、55°ABDC和TDC时刻三种扫气方式在对称截面和过气缸轴线且与对称截面相垂直的截面上燃油蒸汽浓度分布图。

均匀扫气      空间分层        时间分层
图5 55°ABDC时燃油浓度分布（g/cm³）
均匀扫气      空间分层        时间分层
图4 BDC时燃油浓度分布（g/cm³）
均匀扫气      空间分层       时间分层
图6 TDC时燃油浓度分布（g/cm³）

空间分层扫气中从副扫气道流出的浓燃油混合气受到从两侧主扫气道流出的空气的挤压而贴着远离排气口的气缸壁面向上流动，如图4所示。之后贴着燃烧室顶面再沿相对的气缸壁面向下流直到排气口，使混合气的流程大大加长。从图5可以看到，混合气在排气门将要关闭时才流到排气口，避免大量混合气直接流出排气口。均匀扫气与时间分层扫气的燃油浓度分布形状较为接近，只是由于后者从扫气道流出的先是空气，然后才是混合气，因此两者在燃油浓度分布上存在一定的时间相位差，存于储气通道中的空气量大小决定相位差的大小，通过图4可以看到，在BDC时刻后者的混合气才刚刚流到对称面上，即使在55°ABDC时刻前者在排气口附近的燃油浓度仍高于后者，显然后者的燃油短路损失小，可以获得较好的节油效果。

分层扫气降低燃油的短路损失的同时也带来浓混合气与空气的再混合问题。如图6所示，在压缩上止点时刻，均匀扫气的燃油在燃烧室内的分布非常均匀。时间分层扫气由于边界混合气浓度与均匀扫气相近且前期导入的空气大部分用于扫除废气而随废气一起流出排气口，因而TDC时刻燃油的分布也很均匀。空间分层扫气时从副扫气道流出的混合气浓度比均匀扫气和时间分层的大得多，这部分气体在换气过程中一直贴着壁面流动与气缸中心的空气混合较少形成明显的分层，因此可以看到在TDC时刻燃烧室顶面附近有一部分较浓的混合气存在，在燃烧时由于壁面的激冷效应这部分混合气将难以完全燃烧，另外燃烧室内燃油浓度分布不均匀也会影响点火及火焰的传播。

图8 计算的燃油短路损失比
图7 从排气口流出的各组分累积质量变化曲线

利用三维CFD模拟分析，可以得到各组分从排气口流出的质量变化，结果如图7所示。可看到均匀扫气时燃油很早就开始流出排气口，因而损失的燃油较多。分层扫气燃油开始流出的时刻要迟一些角度，其中空间分层延迟的角度一般是固定的，这是因为从副扫气道流出的混合气所具有的流动路线是固定的，而时间分层延迟的角度则与储于扫气道前端的空气量相关，空气量大则燃油流出晚，但同时也增大了燃油混合的不均匀性。从O₂所代表的空气的流动来看，空间分层时的O₂排出量稍大于其它两种方式。同时也说明分层扫气方式是以增加空气的短路损失为代价来降低燃油的短路损失。从CO₂所代表的废气的流动来看，三种方式的差别并不明显，说明充量分层与否对废气的扫除作用不大。定义组分的短路损失为从排气口直接排出的净流出量和从扫气口进入的净流入量的比值，图8给出了三种方式的燃油短路损失比，空间分层扫气的节油效果显而易见，时间分层扫气的结果受本文所给的初始边界条件限制节油不如空间分层明显。

通过以上的分析，可以发现空间分层扫气是利用副扫气道流出的混合气流动路程较长的特点降低燃油短路损失，时间分层扫气则是利用前导空气推迟混合气的流出来降低燃油短路损失。因此可以考虑一个新的方案结合以上两个优点，即在原均匀扫气发动机的基础上仅对两个主扫气道采用时间分层扫气的模式，保留副扫气道原来的进气模式，使主副扫气道分别利用以上两种方法达到降低燃油短路损失的目的。

五. 结论

(1)CFD方法模拟计算扫气过程中废气和新鲜充量的流动可以方便、直观地研究各种扫气方案，从而为设计和评价扫气方案提供一种更为有效的手段。

(2) 通过对均匀扫气和两种分层扫气方式的计算比较，相对于均匀扫气方案而言，分层扫气方式具有燃油短路损失小的优点，但对扫气能力没有明显的影响，且燃油的混合不如均匀扫气充分。

(3) 通过分析发现利用延长混合气的流动路线和利用前导空气推迟混合气的流出都可以有效降低燃油短路损失，根据以上特点本文提出了一种新的扫气方案。

参考文献

1. 杨笑风,曾科,蒋德明. 二冲程汽油机新技术研究现状[J]. 车用发动机,1995(04): 5～7.

2. G.P.Blair. Reduction of Fuel Consumption of a Spark Ignition Two-Stroke Cycle Engine. SAE Paper 830090.1983

3. Sawada.T, Wada.M, Development of a Low Emission Two-Stroke Cycle Engine. SAE 980761, 1998

4. Amsden A A. KIVA-3V: A Block Structured KIVA Program for Engine with Vertical or Canted Valves. Los Alamos National Laboratory Report No. LA-13313-MS, 1997.