直流掃氣柴油機掃氣流場分析

趙峰，蘭紅安

（1.江蘇海事職業(yè)技術學院，南京211170；2.中國船級社福州分社，福州350008）

直流掃氣柴油機掃氣流場分析

趙峰1，蘭紅安2

（1.江蘇海事職業(yè)技術學院，南京211170；2.中國船級社福州分社，福州350008）

利用三維流體動力學（CFD）仿真軟件FIRE，建立了二沖程柴油機氣缸直流掃氣三維模型，采用數(shù)值模擬的方法，研究了掃氣口設計參數(shù)對換氣過程的影響，對不同的氣口設計方案下的氣缸內(nèi)殘余廢氣濃度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化過程作了細致的描述，并對掃氣口徑向傾斜角的變化對換氣過程的影響做了更進一步的探討。

柴油機掃氣過程掃氣口數(shù)值模擬

1 前言

作為大型船舶的主推進動力裝置，如今二沖程直流掃氣柴油機的應用已經(jīng)越來越廣泛。但是，由于其缺乏單獨的換氣行程，換氣的質(zhì)量相對四沖程柴油機來說相對較差。而換氣質(zhì)量的好壞將對燃油霧化、燃燒及產(chǎn)物排放等有著很大的影響。因此對二沖程直流掃氣柴油機換氣過程的研究有著極其深遠且積極的意義[1]。對于二沖程直流掃氣柴油機而言，了解不同的掃氣口形狀，對改善柴油機的換氣及燃燒質(zhì)量，減少污染物的排放等有著積極的作用。當今對掃氣口應用最為廣泛的形式分別為“矩形”和“狗腿式”（dog-legged）兩種[2]，前者已經(jīng)廣泛應用于船舶中的大型低速柴油機上，后者也已經(jīng)在美國UTC公司使用。然而，對大型二沖程直流掃氣柴油機而言，為了減少活塞頂部廢氣的殘留，MAN B&W公司率先提出取消掃氣口的仰角，并已經(jīng)在S60MC、S70MC、S90MC等柴油機中應用[3]。

本文主要是對“矩形”掃氣口氣缸模型進行三維流體動力學分析，把掃氣口的徑向傾斜角設計成10°、20°和30°，并分別進行模擬分析對比，進而得到較為理想的結(jié)論。

2 模型的建立

本文在進行建模時，以MAN B&W公司生產(chǎn)的6S70MC柴油機的氣缸為例，該柴油機的主要技術參數(shù)如表1所示。由于計算對象是氣缸中的流體，因此建模部分應該是氣體存在的空間部分，即為掃氣箱、掃氣口及氣缸內(nèi)的部分[4]。柴油機氣缸的實體模型及計算模型如圖1所示。

表1 6S70MC柴油機主要技術參數(shù)

在進行網(wǎng)格劃分時，把整個計算模型分為燃燒室（Ⅰ）、氣缸（Ⅱ）和掃氣口及掃氣箱（Ⅲ）3個部分，分別進行劃分，然后再把劃分好的網(wǎng)格粘結(jié)在一起進行流體動力學計算。做動網(wǎng)格的范圍是從活塞上止點后141℃A到218℃A，即從活塞下行把掃氣口打開直至活塞上行將掃氣口完全關閉的整個過程。

圖1 氣缸模型及網(wǎng)格結(jié)構(gòu)圖

3 掃氣過程的數(shù)值模擬

在保持氣缸及各掃氣口其他尺寸不變的前提下，單獨改變掃氣口的徑向傾斜角（掃氣口徑向軸線與氣缸半徑之間的夾角），分別用Pro/E三維建模軟件建立起各自的模型，然后導入到AVL FIRE軟件中進行數(shù)值模擬計算。掃氣口的徑向傾斜角分別設計為10°、20°、30°。設計方案如圖2所示。

圖2 掃氣口徑向傾斜角不同設計方案

3.1 掃氣口徑向角對缸內(nèi)流場的影響

圖3所示為當曲軸轉(zhuǎn)角運行到180℃A ATDC，即下止點位置時，此時掃氣口完全打開，3種掃氣口徑向角下的缸內(nèi)流場。由圖3（a）可以看出，當掃氣口的徑向傾斜角設計成10°時，計算結(jié)果顯示，掃氣過程中，柴油機氣缸內(nèi)的氣體流場在氣缸中心線的下部產(chǎn)生強烈的渦流。原因是氣缸掃氣口是均勻地布置在氣缸壁上的，當掃氣口的徑向傾斜角設計較小時，通過掃氣口迎面進入氣缸的兩股氣流勢必會發(fā)生碰撞，造成氣體動量和能量的損失。從相應的俯視圖4（a）也可以看出，氣缸內(nèi)盤旋上升的氣體流場密度明顯減小，同樣是由于從對稱掃氣口進來的2股氣流發(fā)生碰撞，造成氣流短路并在氣缸底部形成渦團，2股氣流彼此之間干擾比較嚴重，因而該情況下新鮮空氣與廢氣的混合程度也比較劇烈。整個換氣過程不能達到靠新鮮空氣的進入來推動廢氣強制排出氣缸的效果，所以最終不利于換氣質(zhì)量的提高。

圖3 不同掃氣口設計方案下的缸內(nèi)氣流流速的正視圖

圖4 不同掃氣口設計方案下的缸內(nèi)氣流流速的俯視圖

當掃氣口徑向角為20°時，從圖3（b）可以看出，在活塞位于下止點時（180℃A ATDC），缸內(nèi)氣流短路現(xiàn)象不明顯。通過比較俯視圖4（b）可以看到，此時柴油機氣缸內(nèi)氣體流場的密度明顯增大，盤旋上升的氣流較多?？紤]到柴油機缸內(nèi)燃燒后的廢氣在缸內(nèi)的存在形式應該是紊流狀態(tài)，雜亂無章，而通過掃氣口進入氣缸的新鮮空氣應該是盤旋上升的。因此換氣過程中，新鮮空氣的進入推動了廢氣盤旋上升，進而達到較為理想的換氣效果。

可以初步判定當掃氣口的徑向傾斜角設計成20°時，每循環(huán)進入氣缸的新鮮空氣量明顯增多。并且此時由于來自對稱掃氣口的氣流之間的碰撞不明顯，進而在柴油機氣缸內(nèi)并未形成氣體流場短路情況，從而提高了柴油機的換氣質(zhì)量。

當掃氣口的徑向角為30°時，由圖3（c）可以看出，此時在活塞頂上方及氣缸壁四周產(chǎn)生環(huán)形渦流。究其原因，是因為當柴油機氣缸掃氣口的徑向傾斜角設計過大時，造成來自掃氣箱的氣流進入氣缸，直接與氣缸壁發(fā)生碰撞，進而在氣缸壁四周造成氣流短路現(xiàn)象。從對應的俯視圖4（c）可以看到，當氣缸掃氣口的徑向傾斜角設計過大時，氣缸壁周圍的環(huán)形氣流流場密度較大。因此推斷氣缸壁四周盤旋上升的氣流較多。然而此時氣缸中心線附近的環(huán)形氣流流場極少，說明氣缸中心線附近大多是燃燒后的廢氣。因此，該情況下大抵只有氣缸壁周圍的廢氣方是通過新鮮空氣的進入盤旋上升推動廢氣排出氣缸，并且由于此時進入氣缸的氣體與氣缸內(nèi)壁發(fā)生了碰撞，造成氣體流動方向改變，新舊氣體混合嚴重。另外，此時，氣缸中心線附近的廢氣基本上是靠氣體自身流動的慣性自發(fā)地排出氣缸的，因此該情況下柴油機氣缸內(nèi)的換氣質(zhì)量相對較差。綜上所述，對3種掃氣口的設計模型分別進行數(shù)值模擬計算。通過觀察氣缸內(nèi)氣流流動的情況，可以初步看出，在氣缸及掃氣口的其他設計尺寸不變的前提下，當掃氣口的徑向傾斜角設計成20°時，比較有利于換氣過程質(zhì)量的提高。

3.2 掃氣口徑向角對缸內(nèi)殘余廢氣濃度的影響

針對3種掃氣口徑向角，分別進行缸內(nèi)殘余CO2的模擬計算。當活塞位于下止點時，缸內(nèi)的新鮮空氣與殘余廢氣濃度的分布情況如圖5及圖6所示。通過對比圖5（a）、（b）、（c）可知，當活塞位于下止點時，即換氣過程的前期階段。掃氣口的徑向傾斜角設計成10°時，掃氣的效果最不理想，此時殘余廢氣占混合氣體的比例約為46.9%；掃氣口的傾向傾斜角成30°時掃氣效果居中，此時殘余廢氣占混合氣體的比例約為44.7%;掃氣口的徑向傾斜角設計成20°時的掃氣效果為最好，此時殘余廢氣占混合氣體的比例約為37.8%。

圖5不同掃氣口設計方案下CO2濃度

圖6 展示的是3種設計方案下，在掃氣口打開過程中缸內(nèi)的廢氣濃度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線。另外，當掃氣口的徑向傾斜角過大時，生產(chǎn)加工比較困難。因此，根據(jù)大連造船廠、滬東重工及福州船級社所提供的資料可知，如今MAN B&W公司所生產(chǎn)的S50MC、S60MC、S70MC等型號的大型低速柴油機的掃氣口的徑向傾斜角大多設計為20°左右。

圖6不同掃氣口徑向角時缸內(nèi)CO2濃度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線

圖7 所示為在換氣過程結(jié)束后，缸內(nèi)新鮮空氣與廢氣濃度的分布云圖。從圖7可以直觀地看出，當掃氣口的徑向傾斜角設計成10°和30°時，柴油機氣缸內(nèi)的廢氣濃度在掃氣口關閉后仍比較大，分別為12.5%和9.4%。而當掃氣口的徑向傾斜角設計成20°時，氣缸內(nèi)廢氣濃度在掃氣口關閉后顯得最小，此時缸內(nèi)廢氣濃度約為5.7%。綜上所述，對6S70MC型柴油機而言，由于掃氣口位于氣缸底部成對稱分布，所以當掃氣口設計的徑向角度較小時，氣流進入氣缸，易與來自對面掃氣口的氣流發(fā)生碰撞，在氣缸中心處氣流交匯，從而較易形成短路氣流，進而不利于掃氣，而且對掃氣功的耗費很大。反之，若掃氣口的徑向傾斜角設計過大，那么掃氣進行時，當通過掃氣口的新鮮空氣進入氣缸時，很可能直接與氣缸壁碰撞，使缸內(nèi)產(chǎn)生嚴重的渦流，同樣也不利于掃氣。

4 結(jié)束語

通過對柴油機換氣過程的數(shù)值模擬計算和缸內(nèi)流場的分析，可以得出如下的結(jié)論：

二沖程直流掃氣柴油機氣缸的掃氣口的徑向傾斜角不宜過小或過大。過小將直接導致氣流短路，掃氣功耗增加，換氣質(zhì)量降低；過大將使氣流直接沖擊到氣缸壁上，在氣缸壁周圍形成短路渦流，同樣造成換氣質(zhì)量下降[5]。氣缸掃氣口的徑向傾斜角的大小在20°左右為宜。

圖7 排氣閥關閉時缸內(nèi)殘余CO2濃度情況

1陳石，吳春杰．二沖程柴油機設計參數(shù)對掃氣過程的影響[J]．小型內(nèi)燃機與摩托車，2001，30（5）：26-29．

2 Chapman K,Two-Stroke Cycle Engine Port Flow Analysis[C].CIMAC Congress 2004,Kyoto,2004: 1-16.

3趙峰．直流掃氣柴油機掃氣過程仿真分析及優(yōu)化[D]．大連：大連海事大學，2010．

4 Kim C S,Lee D H,Cho Y S.The Comparison About CFD-Simulation&Measurement Result Of Large Two-Stroke Diesel Engine[C].CIMAC Congress 2001,Hamburg,2001:1141-1148.

5 Stuecke P,Egbers C.Visualization of Scavenging Flow in the Design of Small Two-stroke Engines [J]．Optics&Laser Technology,2006(38):272-276.

Flow Field Analysis on Scavenging Processes for Diesel Engine with Uni-flow Scavenging

Zhao Feng1,Lan Hong'an2
（1.Department of Marine Engineering,Jiangsu Maritime Institute,Nanjing,211170; 2.China Classification Society Fuzhou branch，F(xiàn)uzhou 350008,China）

By using FIRE,the three-dimensional computational fluid dynamics(CFD)software,a 3D model of uni-flow scavenging of two stroke diesel engine cylinder was set up,with which the influence of intake design parameters on the scavenging process was studied by numerical simulation,giving a detailed description about the changing process of the gas flow field and exhaust gas concentration in cylinder with crank angle under different air intake port designs.And a further study was done on the effect of the changes of intake port inclination in radial on the scavenging process.

diesel engine,process of scavenging,inlet port,numerical simulation

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.03.003

來稿日期：2012-02-06

趙峰（1983-），男，碩士研究生，主要研究方向為現(xiàn)代輪機管理。