基于一维–三维(1D–3D)耦合仿真分析方法的Curtis回流扫气二冲程发动机气孔定时对扫气性能的影响

《Fuel》：Effects of port timing on performance of Curtis loop scavenging of a two-stroke engine based on 1D–3D coupled simulation and analysis method

　　

摘要：随着电气化动力总成日益普及，二冲程发动机的运行范围可显著缩小，从而使扫气系统(Scavenging System)的有针对性设计优化成为可能。本研究针对一台采用Curtis回路扫气(Curtis Loop Scavenging)的二冲程发动机，建立了一维(1D)发动机系统模型与三维(3D)计算流体动力学(CFD, Computational Fluid Dynamics)模型，并利用实验数据进行了验证。研究人员开发了一种耦合的1D–3D仿真方法，用以研究排气口开启时刻(EPO, Exhaust Port Opening Timing)与扫气口开启时刻(SPO, Scavenging Port Opening Timing)对换气过程及发动机性能的影响。通过联合分析缸内气体流动的时间演化与空间分布，揭示了控制扫气行为的机理。研究结果表明，EPO对扫气过程、流场形态及残余废气纯净度具有主导作用，而SPO主要影响缸内流径及残余气体分布。气孔定时的变化会通过影响有效压缩比、泵气损失及截留容积效率(Trapped Volumetric Efficiency)，进而引起功率与燃油消耗的变化。在基准气孔定时组合下，制动功率为25.6 kW，有效燃油消耗率(BSFC, Brake Specific Fuel Consumption)为520 g/(kW·h)。优化后的气孔定时组合EPO = 80°CA、SPO = 117°CA使发动机功率提升10.4%；而EPO = 80°CA、SPO = 127°CA使燃油消耗降低19.6%。研究证明，该1D–3D耦合方法为跨维度分析提供了新的工具，并为二冲程发动机扫气系统的设计与优化提供了有价值的参考。

论文解读：基于1D–3D耦合仿真的Curtis回流扫气二冲程发动机气孔定时对扫气性能影响研究

一、研究背景与意义

二冲程发动机（Two-Stroke Engine）相较于四冲程发动机具有单位排量功率高、功率密度大、扭矩输出均匀及结构轻量化等优势，广泛应用于农林机械、便携式发电机及无人机（UAV, Unmanned Aerial Vehicle）等军用/特种领域。传统的端口控制的二冲程发动机（Port–Port Type）扫气性能随工况变化大，燃油经济性与排放是其进一步发展的瓶颈。然而，在现代应用场景（如UAV或增程器）中，发动机往往仅需工作在单一或窄范围的高经济转速–转矩点，这为针对特定工况进行扫气系统（即气孔定时与气孔几何）的精细化设计提供了可能。

Curtis回路扫气（Curtis Loop Scavenging）结合了横流扫气（Cross Scavenging）与Schnürle回路扫气的特点，能提高缸内滚流比（Tumble Ratio），被DeltaHawk、Hirth等现代航空活塞发动机所采用，但其换气机理尚缺乏充分研究。此外，单纯依靠三维计算流体动力学（3D CFD）难以精确捕捉缸内三维流动与一维（1D）系统级进排气及曲轴箱压力的耦合作用；而单纯1D仿真又无法准确描述扫气过程中新鲜充量滞留与废气排出的空间分布特征。因此，Lingfeng Zhong、Qianfan Xin、Rui Liu等研究人员开展本研究，旨在通过建立并验证1D–3D耦合仿真方法，探究排气口开启时刻（EPO, Exhaust Port Opening Timing）与扫气口开启时刻（SPO, Scavenging Port Opening Timing）对Curtis回路扫气二冲程发动机扫气过程及整机性能的影响机理，为二冲程发动机气道系统设计提供理论依据。据文中信息，该研究成果发表于《Fuel》。

二、主要关键技术方法

研究人员以一台用于无人机的Curtis回路扫气二冲程航空活塞发动机为研究对象，通过拆解实测获取缸径、行程及基准气孔定时等参数。建立GT-SUITE（或同类软件）一维发动机系统模型以获取曲轴箱压力、缸压等边界条件，同时建立基于ANSYS Fluent（或同类软件）的三维CFD缸内扫气模型。两者通过迭代数据交换进行耦合：1D模型向3D模型提供瞬态边界条件（进气/排气压力、温度），3D模型计算扫气效率（Scavenging Efficiency, η_s）与给气比（Delivery Ratio, λ₀）等扫气曲线反馈至1D模型用于燃烧与性能计算，经3–5次迭代收敛。模型使用实验测得的示功图与扫气指标进行验证。在此基础上，保持其他参数不变，分别改变EPO（72°CA–84°CA ATDC）与SPO（111°CA–129°CA ATDC，相对于下止点After Top Dead Center），进行多组耦合仿真对比分析。

三、研究结果

（1）Theoretical analysis of gas exchange process（换气过程的理论分析）

研究人员定义了评价二冲程发动机换气性能的关键参数：非截留容积效率（即给气比/Delivery Ratio, λ₀=新鲜充气质量m_new/参考质量m_ref）、截留容积效率（即扫气效率/Scavenging Efficiency, η_s=截留新鲜充气质量m_trap/缸内总气体质量m_cyl）及捕集效率（Trapping Efficiency, η_tr=m_trap/m_new）。分析指出气孔定时通过改变有效压缩比（Effective Compression Ratio, ECR）、泵气损失（Pumping Loss）及新鲜充量截留量直接影响这些参数。

（2）Influence of EPO（排气口开启时刻的影响）

通过对比不同EPO的仿真结果发现，EPO提前会使膨胀冲程缩短、有效膨胀比减小，导致指示功下降，但同时使扫气窗口开启更早、缸内与排气口间压差增大，增强扫气流强度并提高扫气效率η_s，减少残余废气系数。然而过度提前EPO会造成新鲜混合气短路流失（Short Circuiting）增加，降低捕集效率η_tr。EPO推迟则反之，虽提升有效膨胀功但扫气窗口期缩短、缸内残余气排出不畅。研究表明EPO对扫气流型（Flow Pattern）、扫气效率及废气纯净度起主导作用，且通过改变有效压缩比和泵气损失显著影响整机功率与BSFC。

（3）Influence of SPO（扫气口开启时刻的影响）

固定EPO改变SPO发现，SPO主要影响扫气口开启早晚从而改变缸内新鲜充量的入射角度与穿透深度，进而调整缸内流线轨迹与残余废气的空间分布（尤其在下止点附近形成不同的滚流与涡流结构）。SPO提前可延长扫气持续角，利于增加截留新鲜充量从而提高 trapped volumetric efficiency，但若过早开启而缸内压力尚高于曲轴箱压力会引起废气倒灌；SPO推迟则扫气持续角缩短，易导致扫气不充分。总体而言SPO对扫气效率的绝对值影响弱于EPO，主要通过改变缸内流径（In-Cylinder Flow Path）及残余气体分布来间接影响燃烧与性能。

（4）Coupled analysis of port timing on engine performance（气孔定时对发动机性能的耦合分析）

在基准定时（EPO=76°CA, SPO=121°CA）下，模拟得到制动功率25.6 kW，BSFC为520 g/(kW·h)。扫描各EPO与SPO组合后确定：当EPO提前至80°CA（即较晚开启，需注意原文中角度指BBDC/ATDC表述，此处按文中优化结果表述为EPO=80°CA）、SPO=117°CA时，发动机最大制动功率较基准提升10.4%；当EPO=80°CA、SPO=127°CA时，BSFC较基准降低19.6%。这表明合理匹配EPO与SPO可在不同设计目标（追求最大功率或最低油耗）下实现显著性能改善。

四、讨论与结论（Conclusions部分翻译与总结）

研究人员得出以下主要结论：

(1) 本文提出的耦合一维与三维(1D–3D Coupled Simulation Method)的仿真方法能有效揭示气孔定时对二冲程发动机扫气过程的影响机制。

(2) 排气口开启时刻(EPO)对扫气过程、流场形态及排气纯度具有支配性影响；扫气口开启时刻(SPO)主要影响缸内流径与残余气体空间分布。

(3) 气孔定时通过改变有效压缩比、泵气损失及截留容积效率影响功率与燃油消耗。优化组合EPO=80°CA、SPO=117°CA可使功率提升10.4%；EPO=80°CA、SPO=127°CA可使燃油消耗降低19.6%。

(4) 该1D–3D耦合方法为二冲程发动机扫气系统的跨维度分析与设计优化提供了新颖的工具和有价值的见解。

综上，Lingfeng Zhong、Qianfan Xin等研究人员通过实验验证的1D–3D耦合仿真，明确了Curtis回路扫气二冲程发动机中EPO与SPO对扫气行为及性能的不同作用机理，并给出优化定量结果，对航空二冲程小型发动机的窄工况定制设计具有重要工程指导意义。