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二冲程气道喷射式液压自由活塞发动机喷射方式分析及优化仿真.docx
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二冲程气道喷射式液压自由活塞发动机喷射方式分析及优化仿真.docx
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摘要
为降低二冲程液压自由活塞发动机(hydraulic free piston engine, HFPE)使用气道喷射方式时
的燃油消耗,将喷油器置于气道内扫气口处,使用 CONVERGE 软件建立了从燃油喷射过程到混合
气生成过程的三维计算流体动力学仿真模型,研究了燃油喷射相位、喷射角度以及喷油器流量大小
对混合气生成过程的影响。结果表明:燃油喷射角度越小、喷射相位越晚,燃油捕集率越高,最高
可达 99%,比新鲜空气捕获率高出 39%,燃油消耗率降低较大;燃油喷射角度过大或过小,都会
恶化燃油的气化效果,最佳的燃油喷射角度(与缸头法线方向夹角为 43°~48°)可以获得最高的
燃油气化率,但较早的喷射相位会使油束在缸内的实际流动方向发生改变,增加缸壁油膜的生成量,
降低燃油气化率;大流量的喷油器在最佳的喷射角度上拥有更好的燃油捕集和气化效果,同时对应
效果较好的喷射相位区间宽度大于小流量喷油器,喷射灵活性更佳。
Abstract
In order to reduce the fuel consumption of two-stroke hydraulic free piston engine
(HFPE) using the port injection mode, the injector was placed at the scavenging
port. A three-dimensional computational fluid dynamics simulation model of the
process from the fuel injection to the mixture generation was established by using
CONVERGE software. The effects of fuel injection phase, injection angle and injector
flow rate on the mixture forming process were investigated. The results show that
the smaller the fuel injection angle and the later the injection phase are, the higher
the fuel capture rate. The highest fuel capture rate can reach up to 99%, which is
39% higher than the fresh air capture rate, so the fuel consumption rate decreases
greatly. If the fuel injection angle is too large or too small, the gasification effect of
the fuel will be deteriorated. There is an optimal fuel injection angle (43°~48°) with
the normal direction of cylinder head, and the highest gasification rate can be
obtained by injection at this range. Earlier injection phase will change the actual
flow direction of the fuel in the cylinder, increase the production of the oil film on
the cylinder wall and reduce the fuel gasification rate. Compared with small flow
rate injector, the larger flow rate injector has better fuel capture and gasification
effect at the optimum injection angle, the width of injection phase interval with
better corresponding effect is larger, and the injection flexibility is better.
译
关键词
液压自由活塞发动机; 二冲程气道喷射; 燃油捕集; 混合气生成
Keywords
hydraulic free piston engine; two-stroke port injection; fuel capture; mixture
formation
译
自由活塞发动机作为新型的特种发动机,具有结构简单、负载可分离、功率密度大
[ 1, 2]
等优点
[ 3]
。
无论是液压自由活塞发动机(hydraulic free piston engine, HFPE)还是自由活塞发电机,都
非常适合二冲程工作方式,发动机的平稳运行都与燃烧效果息息相关
[ 4,5]
。对于采用预混燃烧模式
的汽油机来说,能够更快更好地制备可燃混合气是保证发动机燃烧工作性能的关键。
二冲程点燃式发动机具有功率比高和结构简单的优点,此类发动机面临着燃油短路带来的 CH 排放
巨增和燃油经济性较低问题,该问题也是限制二冲程发动机发展的主要原因。在二冲程机上使用缸
内直喷技术将燃油直接喷射到气缸中,会带来混合物形成时间不足、喷射压力要求高和喷油器耐久
性降低等问题
[ 6]
。到目前为止,虽然已有大量文献从排放角度和混合气制备角度研究了气道燃油
喷射
[ 7,8]
,但研究大多基于顶置气门式燃油发动机,而关于横流扫气式二冲程发动机气道喷射的研
究较少,现 有研究大多只涉及到气 体捕集率,很少涉及燃 油捕集率,而对 于以燃油喷射供油方式
(不管是缸内直喷还是气道外喷射)工作的发动机来说,燃油捕集率都会影响燃油消耗和排放品质。
在液压自由活塞发动机上应用曲轴箱横流扫气方式,不仅可以在保证扫气效率的前提下简化发动机
结构
[ 9 ]
,而且可节省缸头空间,在匹配高增压进气方案时可满足缸盖增设多火花塞的条件
[ 10 , 11]
。
本文基于曲轴箱扫气式的二冲程 HFPE,进行了混合气生成过程的数值模拟,研究了不同燃油喷射
相位和喷射角度对发动机燃油捕集率和气化率的影响,对二冲程 HFPE 燃油喷射系统的改进具有一
定的指导意义。
1 仿真模型
1.1 试验样机
二冲程液压自由活塞发动机主要由液压驱动系统和燃烧系统组成。图 1 为液压自由活塞发动机的原
理图,其工作过程如下:机器启动前,电磁阀 K
1
、K
2
、K
4
为打开状态,K
3
关闭;上位机发出启动
指令后,电磁阀 K
4
关闭,K
1
、K
2
动作保持不变同时打开 K
3
,高压液压油经 K
3
进入背压腔,推动柱
塞向上运动直至主油口被打开,K
3
关闭且柱塞正式进入压缩冲程,推动活塞对缸内捕获的可燃混合
气进行压缩;低压液压油从低压蓄能器 P
3
通过单向阀被吸入柱塞腔内;当活塞运行至上止点附近
时,火花塞进行点火,燃料燃烧做功推动活塞下行,柱塞腔内的液压油被压缩后经单向阀进入高压
蓄能器完成能量输出,一次循环完成后柱塞回至下止点关闭主油口并停留在下止点。每个循环运行
过程中,在扫气口打开之前进行喷油,与曲轴箱内的新鲜空气预混合形成均匀混合气,待换气过程
中被燃烧室捕集。
图 1 自由活塞发动机简化原理图
Fig.1 Simplified schematic diagram of free piston engine
下载: 原图 | 高精图 | 低精图
1.2 三维数值仿真模型的建立
以 1 台点燃式二冲程 HFPE 燃烧室为原型,通过 CONVERGE 仿真平台,建立该液压自由活塞发动
机的三维仿真模型,如图 2 所示。该软件在计算过程中拥有自适应加密的功能,会在不同时间段内
进行时间加密和网格加密。在计算开始时,设定基础网格尺度为 2 mm×2 mm×2 mm,共有 80
500 个网格;计算开始后,分别对喷油器、气缸、缸套壁面、缸头壁面 4 处关键部位进行自适应网
格加密。
图 2 燃烧室三维结构示意图
Fig.2 Three-dimensional structure diagram of combustion chamber
下载: 原图 | 高精图 | 低精图
为更好地模拟缸内油滴与气流、壁面的相互作用,提高模型的可信度,有必要进行网格无关性验证。
对自适应关键部位在分别采用最小网格尺寸 2.0、1.0、0.5 mm 时进行对比。图 3 为采用不同最
小网格尺寸时燃烧室内气态燃料的质量,由图可见,最小网格尺寸为 1.0、0.5 mm 时气态燃料质
量相差不大,考虑到计算成本及准确性因素,采用最小网格尺寸为 1.0 mm 进行计算。计算过程中
网格最多可达 800 300 个,其中气缸内有 667 000 个网格。
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