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1、摘要对置气缸对置活塞(OPOC)二冲程柴油机是一种不同于传统发动机的新型内燃机，具有结构简单、总体轻量化、功率密度高等特点。本文基于双对置二冲程柴油机直流扫气过程流动特点，建立了该发动机扫气过程瞬态流动三维计算流体动力学(CFD)仿真模型,应用AVL FIRE软件对该发动机额定工况(功率160kW，转速2500 r/min)下的扫气过程进行了仿真研究,结果显示该工况下发动机扫气效率可达96%。通过对扫气过程不同时刻流场分析，可以得到发动机不同时刻缸内气体组成成分和运动速度分布规律，从而为有效提高该发动机扫气质量提供可靠的依据，以达到控制其扫气效率和扫气质量的目标，为高性能 OPOC 发动机的设
2、计提供参考依据。 关键词：对置气缸对置活塞(OPOC) 扫气效率 扫气仿真 直流扫气 AbstractOpposed cylinder opposed piston (OPOC) two-stroke diesel engine is a different from the traditional engine of new type internal combustion engine has simple structure, light overall weight and high power density characteristics. In this paper, Based
3、 on double two-stroke diesel direct opposite scavenging process flow characteristics of the engine established scavenging process three-dimensional transient flow computational fluid dynamics (CFD) simulation model, application software AVL fire rated operating conditions of the engine (power 160kW,
4、 the scavenging process speed 2500 r / min) under simulated, the results show that the condition of the engine scavenging efficiency up to 96%. Through flow at different times on the scavenging process analysis,can be obtained at different times of the engine cylinder gas composition and velocity di
5、stribution of the composition, so as to provide a reliable basis for effective scavenging of the engine to improve the quality, in order to control its scavenging efficiency and sweep air quality objectives, to provide reference for the design of high-performance engine OPOC.Keywords: opposed piston
6、 opposed cylinder (OPOC) scavenging efficiency scavenging simulation uniflow scavenging 第一章 绪论31.1 课题研究的背景及意义31.2国内外研究现状及发展趋势41.2.1二冲程柴油机换气过程数值模拟的现状41.2.2对置气缸对置活塞二冲程柴油机的发展现状71.3 双对置发动机的概念9第二章OPOC发动机结构特点及优势和运动分析102.1 OPOC发动机的结构102.2 OPOC发动机的结构特点及优势112.2.1可控直流扫气112.2.2轻量化且高功率密度112.2.4良好的平衡性和缓振性132.2.5
7、 扁平燃烧室，侧喷射燃烧142.3对双对置结构布置形式的发动机进行运动分析152.3.1活塞运动规律152.3.2 结果分析172.4本章小结182.4.1 OPOC发动机的结构特点及优势18第三章 扫气过程的研究193.1扫气过程基本形式193.2 扫气效率的影响因素203.3 OPOC发动机的扫气过程213.4本章小结22第四章 双对置二冲程柴油机扫气过程的三维仿真分析224.1 模型建立与网格的划分224.1.1 三维模型的建立224.1.2 体网格的划分234.1.3 动网格的生成254.2 求解器的设置264.2.1 运行模式的设置264.2.2 边界条件的设置264.2.3 初始条
8、件的设置294.2.4 控制方程304.3 双对置二冲程柴油机扫气过程仿真结果分析304.3.1 扫气效率分析304.3.2 缸内气流流动分析334.4 本章小结35第五章 总结355.1 OPOC发动机研究背景及发展现状355.2运动分析及结构特点355.3扫气基本形式及OPOC扫气365.4双对置二冲程柴油机扫气过程的三维仿真分析36参考文献37第一章 绪论1.1 课题研究的背景及意义 内燃机已经成为当今社会上最为常用的动力装置之一，作为我们日常生活中的主要动力源从发明发展至今已经历一百多年的历史，而内燃机所依赖的石油能源非常有限，内燃机对环境所造成的空气污染也成为重要的社会问题，因此对于
9、内燃机燃油经济性和排放性能越来越受到重视。随着社会、经济、环境的变化，人们对内燃机技术也提出了新的要求。 由此可知，面对日益增长的社会环境需求，内燃机技术更加快速的发展具有重要意义。内燃机从刚刚发明到现在已经经历了一百多年的历史，技术的发展使得内燃机的动力性、经济性和排放性能得到了极大的提高。到现代仍然可以不断的改进。 内燃机热效率高、功率范围广、结构简单、比质量轻的优点使其广泛应用于工农业、交通运输、工程机械和发电各个领域，为人类社会的发展进步做出了巨大的贡献。然而随着经济的发展和内燃机应用范围的不断扩大，导致全球能源危机和环境污染问题的日益严重，当代内燃机的发展正面临着能源有限和环境保护的
10、挑战。时至今日，提高内燃机燃油经济性和降低排放已经成为内燃机行业迫切需要解决的两大问题。在这样的背景下，对置气缸对置活塞（OPOC）发动机应运而出。 近年来，多家技术公司和研究机构研发出对置气缸对置活塞（OPOC）发动机。EcoMotors 公司是最早研发该发动机的公司之一。2010年 3 月，EcoMotors 展示了其开发的 EM100 对置活塞对置汽缸发动机样机，EcoMotors与 Navistar、中鼎等多家公司合作在准备在 2014 年实现量产。TARDEC 也在底特律“2008美国汽车工程学会年会暨展览会”上展示了其研发的对置活塞对置气缸(OPOC)发动机，阿凯提斯动力公司是另外
11、一家美国致力于研发 OPOC 发动机的公司，2004 年开始就已经进行了相关商业实验，至 2011 年运行了 2000 多个小时，该公司称实验结果证明：它可以满足目前最严格的欧 6 和 EPA10 的排放标准，且该发动机的燃油经济性比传统柴油机高出 15%，而其零部件减少 40%，在包括功率密度、制造成本等其它方面同样具有优势，而且二冲程对置活塞对置气缸（OPOC）柴油机，很好的结合了对置活塞概念和对置气缸概念。这两种概念都具有紧凑和水平的特性。与对置活塞发动机相比，OPOC柴油机只有一个曲轴，而不是两个。所有力都传递到曲轴上，没有传递给主轴承和曲柄箱。与对置气缸式发动机相比，OPOC柴油机没
12、有气缸盖，而对置气缸式发动机有两个缸盖。这种巧妙的结构使发动机简单，轻量化，紧凑，高效12。这使得双对置发动机有着良好的发展前景，不过尽管该发动机的研究已经进行的非常迅速，但是相比于传统发动机接近百年的发展历史，OPOC 发动机的研究才刚刚起步，其结构的设计仍有很大的改造空间、其性能也有很大的提升空间，而它同样将面临的很多的技术难题。 我们知道，扫气过程的优劣直接影响到发动机的动力性、经济性以及排放性能。与四冲程发动机相比,传统高速二冲程发动机由于扫气时间短、进排气过程同时进行,存在新鲜气体与废气掺混严重,缸内残余废气系数大,扫气质量差等问题。因此,针对传统高速二冲程发动机的扫气缺陷,双对置二
13、冲程柴油机采用可控直流扫气的换气方式,其进、排气口分布在气缸两端,气口的开闭由对置的活塞控制,从而实现沿气缸轴线的直流扫气过程。其独特的直流扫气结构能有效提高高速二冲程柴油机的扫气效率,从而提高发动机性能。换气过程是工作过程中最为重要的环节，它的好坏直接影响发动机的性能，这是由于进入并存留于气缸内的新鲜充量越多，燃烧放热量就越多，将热能转化成的有用功也就越多，发动机的功率和转矩也随之升高 3。与四冲程内燃机不同，由于二冲程内燃机的换气时间短、进排气过程同时进行，会产生新鲜充量与废气掺混，缸内残余废气系数大，扫气质量差等问题4。与传统的二冲程发动机一样，OPOC柴油机也没用独立的进气冲程和排气冲
14、程，其换气方式采用直流扫气，进、排气口环形布置在气缸两端，由内、外活塞运动控制进、排气口的开闭。一个成功的二冲程发动机扫气过程，应当尽可能地减少与新鲜充量混合，并使他扫气未到之处所留下的燃烧产物达到最低限度56。为了达到这一目标，必须优化OPOC柴油机的扫气过程，尽可能避免新鲜充量与废气相互掺混，提高扫气效率，进而提高发动机的性能、燃油经济性和排放7。 1.2国内外研究现状及发展趋势1.2.1二冲程柴油机换气过程数值模拟的现状 发动机的换气过程是一个复杂的非稳态的流体动态过程，流体流动参数和热力学参数既是位移的函数又是时间的函数，而且涵盖了流体力学、空气动力学及热力学等方面的知识，计算十分困难
15、8。随着科技的进步和计算机软、硬件的发展，计算机模拟仿真技术越来越多的应用于工程实践中，对于由换气系统、增压系统、燃料供给系统、冷却系统和气缸组成的整个发动机工作系统，可建立一维仿真模型。利用所建立的一维仿真模型来研究换气系统各个零部件结构参数及匹配情况对气体流动的影响，并可进行配气相位优化。一维模型中考虑了进排气系统的动态效应，比较符合内燃机的实际工况，且计算速度快，能够在短时间内完成多参数优化。但分析中将进排气系统简化为一维的管道，不能体现三维结构对发动机性能的影响。三维模型的计算域是实际的流域，能够比较直观地看到流场内工质的状态，计算出一维模型不能得到的一些参数9。因此，换气过程数值模拟的发展趋势就是将发动机工作过程一维仿真模型和进排气系统的三维流动模型进行耦合，相互提供所需的数据，如一维计算为三维计算提供初始条件和边界条件，三维计算为一维计算提供扫气效率和流量系数等参数，使这两种模型都正确合理。 国外从事柴油机缸内气流数值模拟方面的研究比较早，而且做的也比较充分完善。在上世纪八十年代初期，Sher就开始对回流扫气二冲程发动机的气体流动过程进行数值模拟10。在八十年代后期，B.Ahmadi-Befrui用FMCS程序计算了发火工况的扫气过程，指出只有确定正确的边界条件才能得出与实际一致的结果，然而只建立气缸本身的模型，气口边界处的流场非常复杂，而且气流速度的大小和方向是不断
