二冲程汽油机扫气过程的CFD模拟计算与试验
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(1 - 江苏大学汽车与交通工程学院 江苏镇江 212013 2 - 永康市中坚工具制造有限公司 )
摘 要 :本文用 CFD 软件对 1E40F小型汽油机的扫气过程进行模拟 ,研究了气道结构参数对扫气过程 的影响 ,特别是对回流扫气的影响 ,由试验结果可以看出 ,发动机在动力性能 、经济性能 、排放性能上都 有很大改善 ,尤其在排放性能上 ,改善最大 。因此 ,用计算机模拟可以定性地改善二冲程汽油机的工作 过程 ,为解决二冲程汽油机的排放问题提供理论依据 。 关键词 :流场模拟 小型二冲程汽油机 扫气 试验 中图分类号 : TK411. 3 文献标识码 : A 文章编号 : 1671 - 0630 (2008) 02 - 0029 - 04
作者简介 :王广基 (1982 - ) ,男 ,硕士研究生 ,研究方向为发动机 CFD 应用研究 。
30
小 型 内 燃 机 与 摩 托 车
第 37卷
本文采用 CFD 软件 ,对小型通用二冲程发动机 1E40F进行了定性分析 ,找到原机的不足之处 ,提出相 应的改进方案 ,并通过试验得到改进前 、后的汽油机功 率 、油耗 、排放等性能 。
引言
小型通用汽油机升功率高 ,结构简单 ,应用广泛 , 需求量很大 。世界年产量为 4000万台以上 ,通用小型 汽油机在欧 、美等国家已广泛进入家庭 ,市场潜力巨 大 。2003年我国出口欧美市场量占总出口量的 57% , 2005年产量超过 500万台 ,出口量突破 400万台 。我 国生产的小型汽油机成本低廉 ,畅销欧 、美 。2007年 7 月 1日 ,欧 、美对小型汽油机全面实施第二阶段排放标 准 , HC与 NOx 排放将由 240g / kW ·h降到 50g / kW ·
Abstract: In this paper, simulation of the scavenging p rocess in a two2stroke engine was used to the small en2 gine 1E40F by CFD software. It studied the influences on the scavenging p rocess by the structural parameter of the ports, especially on the loop scavenging. The experimental results show that the power, consump tion of fu2 el, especially the exhaust performance were imp roved. So, we can imp rove the scavenging p rocess of a two2 stroke engine by qualitative analysis w ith the simulation by computers. It also affords a theoretic gist for the solving of exhaust performance in a two2stroke engine. Keywords: Flow field simulation, Small two2stroke gasoline engine, Scavenging, Experimentation
通过 CAD 软件建立三维实体模型 ,通过前处理软 件对模型进行网格划分 (见图 1) ,利用 CFD 软件进行
求解 。首先 ,对 1E40F原机的流场进行模拟 ,分析其 不足之处 ,提出了改进方案 。为了改善排气过程 ,改变 排气口形状 ,增大排气口截面 ,更有利于排气 。同时 , 将排气口位置下移 2mm ,有效排量比原机增大 10% , 可以提高发动机功率 ,以弥补扫气不彻底造成的功率 下降 。对于扫气道 ,减小了主 、辅扫气道在径向平面方 向的径向汇聚角 β1、β2,分别从原来的 38. 5°和 27°减 小到 5°和 4°;同时 ,改变了主 、副扫气道的宽度比例 , 主 、辅扫气道的仰角 ;为了保证发动机的动力性能 ,扫 气口最大开启面积不能太小 。
第 37卷 第 2期 2008年 4月
小型内燃机与摩托车 SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLE
Vol. 37 No. 2 Ap r. 2008
二冲程汽油机扫气过程的 CFD模拟计算与试验
王广基 1 郭晨海 1 姜树李 1 来海菊 1 杨海岳 2
1 模型
1. 1 物理模型 新鲜混合气经由空气滤清器 、化油器 ,进气道 。活
塞上行到进气口打开时 ,混合气进入曲轴箱 ,活塞下 行 ,其底部将进气口关闭 。随着活塞的下移 ,曲轴箱内 的可燃混合气被压缩 ,压力升高 ,当活塞打开排气口 时 ,气缸内的废气从排气口排出 ,缸内压力迅速下降 。 活塞继续下移 ,活塞顶将扫气口打开 ,被压缩的混合气 从曲轴箱 ,经扫气道进入气缸将留在缸内的废气从排 气口驱赶出去 。当活塞到达下止点时 ,对缸内的扫气 过程进行模拟 ,以此定性地来评价扫气过程的好坏 。 计算区域为气缸 、扫气道和排气道 。
2 3 cε1
+
cε3
)ρε
9uj 9xj
+
9 9xj [
μ ()
P rε
9ε 9xj ]
+
ε
k
[
cε1σij
9ui 9xj
-
cε2ρε]
式中 :ε为湍流动能耗散率 。 P rk = 1. 0, P rε = 1. 3, cε1 =
1. 44, cε2 = 1. 92, cε3 = - 1. 0。
1. 3 初 、边值条件
排气口开启角度 / °CA 98. 93
第 2期
王广基等 : 二冲程汽油机扫气过程的 CFD 模拟计算与试验
31
1. 2 数学模型 根据物理模型建立数学模型 ,包括 : 质量守恒方
程 、动量守恒方程 、k - ε方程 。此模型中 ,将空气视为 理想气体 。
质量守恒方程 :
9ρm 9t
+
9 9xj
h。而我国生产的小汽油机绝大部分都不能满足要求 , 解决途径有三种 : 1)采用分层扫气 ; 2)机外净化 ; 3)改 变扫气道结构参数 。以上方法中 ,若采用分层扫气 ,则 要花费巨资购买日本的专利 ,对于广大中 、小生产商来 说根本承担不起 ;若采用机外净化 ,无疑会导致催化剂 量增大 ,成本增加 ,同时 ,大量的气体在机外燃烧会带 来高温 ,对发动机的冷却来说 ,又是一个难题 ;最经济 便捷的方法便是改变扫气道结构参数 ,来改善扫气过 程 ,减少逃逸 ,再辅以机外净化 。
图 6 缸内速度云图
32
小 型 内 燃 机 与 摩 托 车
第 37卷
定的威胁 。 由图 4、5、6可以看出 ,改进方案的缸内气体流动
则较为有秩序 ,由左右两侧扫气道出来的气流冲向进 气口侧 ,两股气流的碰撞位置较原机更高 ,更远离排气 口 ,指向排气口的气流减少了很多 ,这样的气流流向可 以在很大程度上减少逃逸现象 。两股气流在碰撞后沿 缸壁向上运动 ,扫过燃烧室 ,再从排气口侧沿缸壁下 来 ,从排气口排出 。同时 ,一部分气流在碰撞后沿缸壁 周向运动 ,将扫气道上方的废气驱赶出气缸 。改进方 案的回流扫气过程比较完善 ,短路逃逸很少 。从整体 上看 ,气流在缸内形成一个明显的涡 ,是一种回流扫气 方式 ,这种扫气方式 ,气流按一定的秩序流动 ,从一侧 翻转到另一侧 ,扫气效果较好 。
改进前后的汽油机内腔模型见图 2,改进后的径 向扫气角示意图见图 3。汽油机结构参数见表 1。
表 1 1E40F发动机结构参数
缸径 /mm
排气口关闭
40
角度 / °ຫໍສະໝຸດ BaiduA
261. 07
行程 /mm
扫气口开启
31
角度 / °CA
128. 76
排量 /m l
扫气口关闭
37
角度 / °CA
234. 24
图 1 计算网格
S im ula tion by CFD and Exper im en ta tion for a L oop Scavenged Two2stroke Eng ine
W ang Guangji1 , Guo Chenha i1 , J iang Shuli1 , La i Ha iju1 , Yang Ha iyue2 1 - J iangsu University ( Zhenjiang, 212013) 2 - Yongkang Zhongjian Tools M anufacturing Co. , L td.
二冲程汽油机的 NOx 排放来自于燃烧产物 , 而 HC则主要来自于新鲜混合气的逃逸 。当过量空气系 数在 0. 9 ～1. 0 时 ,燃烧过程达到最佳 ,但 HC + NOx 排放仍然很高 。试验证明 ,二冲程汽油机固有的结构 和较大扫排气重叠角 ,使扫气过程存在较大的短路损 失 ,直接导致 HC排放严重超标 。提高二冲程汽油机 的性能 ,降低排放 ,最有效的方法是对二冲程汽油机进 行分析 ,改进缸内气道的结构 ,一方面要尽可能多地排 出废气 ,另一方面要尽可能减少新鲜气体的逃逸 。因 此 ,二冲程汽油机的扫气过程影响到发动机的动力性 、 经济性和排放 ,研究二冲程汽油机的扫气过程 ,对提高 和改善发动机的性能有重要意义 。
+
9σij 9xj
式中 : p为压力 ; k为湍流脉动动能 ;σij为湍流粘性应力
张量 。
k - ε方程 :
9 (ρk) 9t
+
9 9xj
(ρuj
k)
=(-
23ρkδij +σij )σ9uxij +
9 9xj
[
μ
( P rk
)
9k 9xj
]
- ρε
9 (ρε) 9t
+
9 9xj
(ρuεj )
=( -
(图 4)和缸内速度矢量图 (图 5) ,再用相同的数值模 拟方法对改进方案进行求解 。
从图 4中缸内气体流动的情况来看 ,原机靠近排 气口处水平气流较多 ,其扫气过程的短路损失比较严 重 ,而在相同的条件下 ,改进方案则逃逸的很少 。从 图 5中可以看出 ,原机两侧扫气道气流碰撞后发散程 度很大 ,指向排气口的速度矢量较多 ,这也可以从速度 云图 (图 6)中看出 ,原机气流趋向排气口 。总之 ,缸内 气流没有形成一个合理的秩序 ,相当多的新鲜混合气 未经燃烧就逃逸掉 ,从试验数据也可以看出这一点 ,原 机的 HC排放高达 153g / kW ·h。只有加净化器才能 勉强达到 EPA 标准要求 (50g / kW ·h) ,但过多的逃逸 充量在净化器内燃烧 ,会导致净化器表面温度很高 ,将 机器的塑料外壳烧焦 ,从而影响发动机的寿命 ,对于作 为便携动力的发动机 ,对工作人员的安全也造成了一
(ρmμj )
=
9 9xj
ρD
9 9xj
ρ m
ρ
式中 : ρ为气体密度 ; t为时间 ; D 为湍流物质扩散系
数 , D =μ/ρSc , μ为动力粘滞系数 , Sc 为湍流 Schm idt 常数 , Sc = 0. 9。
动量守恒方程 :
9ρuj 9t
+
9 9xj
(ρui
uj
)
=
9 9xj
p - 23ρk
整个流场区域进行初始化 。
2 求解
采用拉格朗日 - 欧拉法进行计算求解 。此方法将 流体相按连续相处理 ,直接求解时均用纳维 - 斯托克 斯方程 。在时间上采用向前差分和空间上的有限体积
法来离散控制方程组 ,求得数值解 ,从而获得了流场的
压力 、速度等详细信息 。 用 CFD 软件求解后 ,得到原机的缸内气体流线图
3 试验结果与结论
为了充分了解二冲程汽油机的性能 ,本文进行了 各种负荷下的试验研究 。由于篇幅所限 ,这里仅给出 部分试验结果以说明问题 。图 7是试验原理框图 。试 验采用 EPA 40CFR Part90法规要求的两点工况法 。
边界条件 :
稳态工况下 ,选取压力边界条件 。具体为 :
入口 95800Pa;
出口 88551Pa。
同时 ,为了讨论边界条件对扫气过程的影响 ,在保
持扫 、排气口压差不变的情况下 ,对不同压力下进行了
缸内的流场计算 ,其结果表明 ,边界条件的影响较小 。
初始条件 :
以进 、出口的平均压力 : 91611Pa 为初始条件 ,对
摘 要 :本文用 CFD 软件对 1E40F小型汽油机的扫气过程进行模拟 ,研究了气道结构参数对扫气过程 的影响 ,特别是对回流扫气的影响 ,由试验结果可以看出 ,发动机在动力性能 、经济性能 、排放性能上都 有很大改善 ,尤其在排放性能上 ,改善最大 。因此 ,用计算机模拟可以定性地改善二冲程汽油机的工作 过程 ,为解决二冲程汽油机的排放问题提供理论依据 。 关键词 :流场模拟 小型二冲程汽油机 扫气 试验 中图分类号 : TK411. 3 文献标识码 : A 文章编号 : 1671 - 0630 (2008) 02 - 0029 - 04
作者简介 :王广基 (1982 - ) ,男 ,硕士研究生 ,研究方向为发动机 CFD 应用研究 。
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小 型 内 燃 机 与 摩 托 车
第 37卷
本文采用 CFD 软件 ,对小型通用二冲程发动机 1E40F进行了定性分析 ,找到原机的不足之处 ,提出相 应的改进方案 ,并通过试验得到改进前 、后的汽油机功 率 、油耗 、排放等性能 。
引言
小型通用汽油机升功率高 ,结构简单 ,应用广泛 , 需求量很大 。世界年产量为 4000万台以上 ,通用小型 汽油机在欧 、美等国家已广泛进入家庭 ,市场潜力巨 大 。2003年我国出口欧美市场量占总出口量的 57% , 2005年产量超过 500万台 ,出口量突破 400万台 。我 国生产的小型汽油机成本低廉 ,畅销欧 、美 。2007年 7 月 1日 ,欧 、美对小型汽油机全面实施第二阶段排放标 准 , HC与 NOx 排放将由 240g / kW ·h降到 50g / kW ·
Abstract: In this paper, simulation of the scavenging p rocess in a two2stroke engine was used to the small en2 gine 1E40F by CFD software. It studied the influences on the scavenging p rocess by the structural parameter of the ports, especially on the loop scavenging. The experimental results show that the power, consump tion of fu2 el, especially the exhaust performance were imp roved. So, we can imp rove the scavenging p rocess of a two2 stroke engine by qualitative analysis w ith the simulation by computers. It also affords a theoretic gist for the solving of exhaust performance in a two2stroke engine. Keywords: Flow field simulation, Small two2stroke gasoline engine, Scavenging, Experimentation
通过 CAD 软件建立三维实体模型 ,通过前处理软 件对模型进行网格划分 (见图 1) ,利用 CFD 软件进行
求解 。首先 ,对 1E40F原机的流场进行模拟 ,分析其 不足之处 ,提出了改进方案 。为了改善排气过程 ,改变 排气口形状 ,增大排气口截面 ,更有利于排气 。同时 , 将排气口位置下移 2mm ,有效排量比原机增大 10% , 可以提高发动机功率 ,以弥补扫气不彻底造成的功率 下降 。对于扫气道 ,减小了主 、辅扫气道在径向平面方 向的径向汇聚角 β1、β2,分别从原来的 38. 5°和 27°减 小到 5°和 4°;同时 ,改变了主 、副扫气道的宽度比例 , 主 、辅扫气道的仰角 ;为了保证发动机的动力性能 ,扫 气口最大开启面积不能太小 。
第 37卷 第 2期 2008年 4月
小型内燃机与摩托车 SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLE
Vol. 37 No. 2 Ap r. 2008
二冲程汽油机扫气过程的 CFD模拟计算与试验
王广基 1 郭晨海 1 姜树李 1 来海菊 1 杨海岳 2
1 模型
1. 1 物理模型 新鲜混合气经由空气滤清器 、化油器 ,进气道 。活
塞上行到进气口打开时 ,混合气进入曲轴箱 ,活塞下 行 ,其底部将进气口关闭 。随着活塞的下移 ,曲轴箱内 的可燃混合气被压缩 ,压力升高 ,当活塞打开排气口 时 ,气缸内的废气从排气口排出 ,缸内压力迅速下降 。 活塞继续下移 ,活塞顶将扫气口打开 ,被压缩的混合气 从曲轴箱 ,经扫气道进入气缸将留在缸内的废气从排 气口驱赶出去 。当活塞到达下止点时 ,对缸内的扫气 过程进行模拟 ,以此定性地来评价扫气过程的好坏 。 计算区域为气缸 、扫气道和排气道 。
2 3 cε1
+
cε3
)ρε
9uj 9xj
+
9 9xj [
μ ()
P rε
9ε 9xj ]
+
ε
k
[
cε1σij
9ui 9xj
-
cε2ρε]
式中 :ε为湍流动能耗散率 。 P rk = 1. 0, P rε = 1. 3, cε1 =
1. 44, cε2 = 1. 92, cε3 = - 1. 0。
1. 3 初 、边值条件
排气口开启角度 / °CA 98. 93
第 2期
王广基等 : 二冲程汽油机扫气过程的 CFD 模拟计算与试验
31
1. 2 数学模型 根据物理模型建立数学模型 ,包括 : 质量守恒方
程 、动量守恒方程 、k - ε方程 。此模型中 ,将空气视为 理想气体 。
质量守恒方程 :
9ρm 9t
+
9 9xj
h。而我国生产的小汽油机绝大部分都不能满足要求 , 解决途径有三种 : 1)采用分层扫气 ; 2)机外净化 ; 3)改 变扫气道结构参数 。以上方法中 ,若采用分层扫气 ,则 要花费巨资购买日本的专利 ,对于广大中 、小生产商来 说根本承担不起 ;若采用机外净化 ,无疑会导致催化剂 量增大 ,成本增加 ,同时 ,大量的气体在机外燃烧会带 来高温 ,对发动机的冷却来说 ,又是一个难题 ;最经济 便捷的方法便是改变扫气道结构参数 ,来改善扫气过 程 ,减少逃逸 ,再辅以机外净化 。
图 6 缸内速度云图
32
小 型 内 燃 机 与 摩 托 车
第 37卷
定的威胁 。 由图 4、5、6可以看出 ,改进方案的缸内气体流动
则较为有秩序 ,由左右两侧扫气道出来的气流冲向进 气口侧 ,两股气流的碰撞位置较原机更高 ,更远离排气 口 ,指向排气口的气流减少了很多 ,这样的气流流向可 以在很大程度上减少逃逸现象 。两股气流在碰撞后沿 缸壁向上运动 ,扫过燃烧室 ,再从排气口侧沿缸壁下 来 ,从排气口排出 。同时 ,一部分气流在碰撞后沿缸壁 周向运动 ,将扫气道上方的废气驱赶出气缸 。改进方 案的回流扫气过程比较完善 ,短路逃逸很少 。从整体 上看 ,气流在缸内形成一个明显的涡 ,是一种回流扫气 方式 ,这种扫气方式 ,气流按一定的秩序流动 ,从一侧 翻转到另一侧 ,扫气效果较好 。
改进前后的汽油机内腔模型见图 2,改进后的径 向扫气角示意图见图 3。汽油机结构参数见表 1。
表 1 1E40F发动机结构参数
缸径 /mm
排气口关闭
40
角度 / °ຫໍສະໝຸດ BaiduA
261. 07
行程 /mm
扫气口开启
31
角度 / °CA
128. 76
排量 /m l
扫气口关闭
37
角度 / °CA
234. 24
图 1 计算网格
S im ula tion by CFD and Exper im en ta tion for a L oop Scavenged Two2stroke Eng ine
W ang Guangji1 , Guo Chenha i1 , J iang Shuli1 , La i Ha iju1 , Yang Ha iyue2 1 - J iangsu University ( Zhenjiang, 212013) 2 - Yongkang Zhongjian Tools M anufacturing Co. , L td.
二冲程汽油机的 NOx 排放来自于燃烧产物 , 而 HC则主要来自于新鲜混合气的逃逸 。当过量空气系 数在 0. 9 ～1. 0 时 ,燃烧过程达到最佳 ,但 HC + NOx 排放仍然很高 。试验证明 ,二冲程汽油机固有的结构 和较大扫排气重叠角 ,使扫气过程存在较大的短路损 失 ,直接导致 HC排放严重超标 。提高二冲程汽油机 的性能 ,降低排放 ,最有效的方法是对二冲程汽油机进 行分析 ,改进缸内气道的结构 ,一方面要尽可能多地排 出废气 ,另一方面要尽可能减少新鲜气体的逃逸 。因 此 ,二冲程汽油机的扫气过程影响到发动机的动力性 、 经济性和排放 ,研究二冲程汽油机的扫气过程 ,对提高 和改善发动机的性能有重要意义 。
+
9σij 9xj
式中 : p为压力 ; k为湍流脉动动能 ;σij为湍流粘性应力
张量 。
k - ε方程 :
9 (ρk) 9t
+
9 9xj
(ρuj
k)
=(-
23ρkδij +σij )σ9uxij +
9 9xj
[
μ
( P rk
)
9k 9xj
]
- ρε
9 (ρε) 9t
+
9 9xj
(ρuεj )
=( -
(图 4)和缸内速度矢量图 (图 5) ,再用相同的数值模 拟方法对改进方案进行求解 。
从图 4中缸内气体流动的情况来看 ,原机靠近排 气口处水平气流较多 ,其扫气过程的短路损失比较严 重 ,而在相同的条件下 ,改进方案则逃逸的很少 。从 图 5中可以看出 ,原机两侧扫气道气流碰撞后发散程 度很大 ,指向排气口的速度矢量较多 ,这也可以从速度 云图 (图 6)中看出 ,原机气流趋向排气口 。总之 ,缸内 气流没有形成一个合理的秩序 ,相当多的新鲜混合气 未经燃烧就逃逸掉 ,从试验数据也可以看出这一点 ,原 机的 HC排放高达 153g / kW ·h。只有加净化器才能 勉强达到 EPA 标准要求 (50g / kW ·h) ,但过多的逃逸 充量在净化器内燃烧 ,会导致净化器表面温度很高 ,将 机器的塑料外壳烧焦 ,从而影响发动机的寿命 ,对于作 为便携动力的发动机 ,对工作人员的安全也造成了一
(ρmμj )
=
9 9xj
ρD
9 9xj
ρ m
ρ
式中 : ρ为气体密度 ; t为时间 ; D 为湍流物质扩散系
数 , D =μ/ρSc , μ为动力粘滞系数 , Sc 为湍流 Schm idt 常数 , Sc = 0. 9。
动量守恒方程 :
9ρuj 9t
+
9 9xj
(ρui
uj
)
=
9 9xj
p - 23ρk
整个流场区域进行初始化 。
2 求解
采用拉格朗日 - 欧拉法进行计算求解 。此方法将 流体相按连续相处理 ,直接求解时均用纳维 - 斯托克 斯方程 。在时间上采用向前差分和空间上的有限体积
法来离散控制方程组 ,求得数值解 ,从而获得了流场的
压力 、速度等详细信息 。 用 CFD 软件求解后 ,得到原机的缸内气体流线图
3 试验结果与结论
为了充分了解二冲程汽油机的性能 ,本文进行了 各种负荷下的试验研究 。由于篇幅所限 ,这里仅给出 部分试验结果以说明问题 。图 7是试验原理框图 。试 验采用 EPA 40CFR Part90法规要求的两点工况法 。
边界条件 :
稳态工况下 ,选取压力边界条件 。具体为 :
入口 95800Pa;
出口 88551Pa。
同时 ,为了讨论边界条件对扫气过程的影响 ,在保
持扫 、排气口压差不变的情况下 ,对不同压力下进行了
缸内的流场计算 ,其结果表明 ,边界条件的影响较小 。
初始条件 :
以进 、出口的平均压力 : 91611Pa 为初始条件 ,对