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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
16、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变
17、化的，因此很难确定较准确的边界条件，也就无法得到正确的计算结果。P.H.Epstein首次将扫、排气道（口）及气缸联系起来进行数值模拟，将整个换气系统为分成气道和气缸两部分，并分别划分网格，利用KIVA-II程序对这两个区域分开处理，然后将两个程序耦合在一起，两套网格交界面处的物理量互为“边界条件”。这种方法与分块法不同的是，在计算循环的一次迭代中要扫过两个区域中的网格，而不是分开单独求解。 Nak Won Sung研究了进气口和排气口结构对6V-92二冲程柴油机缸内流体运动的影响，并将计算结果对比了实验测值，验证了模型的正确性。最后指出扫气角度促使缸内的涡流的产生，而排气口的形状对缸内气流的
18、影响不大11 。 Chang Su使用AVL-FIRE软件建立了进排气系统包括扫气箱、气口、气缸、排气阀、气缸盖及排气管在内的完整的三维模型，并对换气过程进行数值计算，计算结果与试验测得的数据相吻合12。 Wladyslaw Mitianiec分析了二冲程发动机进排气系统和结构参数对扫气效率和扫气质量的影响，并对其进行优化，结果表明降低进排气口开口角度会使扫气效率降低13 。 Carlo Alberto Rinaldini利用多维数值分析软件KIVA-3v程序对二冲程高速柴油机的换气过程进行了计算分析，所需的边界条件由GT-Power仿真计算提供，对发动机进行改进设计，其理论计算和实际结果是一
19、致的。可见，多维数值模型可以在发动机设计中得到有效应用，即提高了发动机的功率，又缩短了设计周期及费用14。 国内对二冲程发动机扫气过程的数值模拟研究起步较晚,但近几年来,这方面的研究发展十分迅速，也逐步缩小了同发达国家之间的差距。 吉林大学的郭文翠对二冲程自由活塞式E15柴油机的换气部分进行了设计改进。通过改变扫气口仰角、横截面圆周角，扫气道进口粗细等建立了七种改进方案模型，并导入CFD软件中进行分析。结果表明：扫气口具有合适的仰角，能够有效地扫除气缸盖顶部的废气，而且增强了缸内流场的湍流强度，促进燃油雾化和燃烧。扫气口的圆周平射角也会影响进气道的长度和结构造型，使进气道的流动阻力，造成进气流
20、速方向和压力的变化15。 来海菊仿真模拟了二冲程汽油机扫气过程，研究结果表明，扫气口仰角对缸内气流方向甚至滚流方向都有影响。并描述了倒托工况下的二冲程汽油机扫气过程流场的形成和发展过程：扫气口打开缸内便形成对称的滚流，一直持续到上止点附近，滚流中心的位置随着活塞的运动不断发生变化16。 王广基在二冲程汽油机扫气过程的 CFD 模拟计算及试验文中用 CFD 软件对 IE40F小型汽油机的扫气过程进行模拟，研究了气口结构参数对扫气过程的影响，并与试验结果对比。结果显示，排气口下降，能够增大有效行程，且保证扫气口截面积，合理组织扫气过程，使发动机功率增大 25%，燃油秏降低 20%，比排放下降 45
21、%17。 2011 年杜涛采用三维模拟方法对二冲程发动机扫气过程进行分析，将换气系统划分成进气道、燃烧室、气缸和排气道四区域，并单独划分网格，然后联接成一体，对四 对四个区域之间联接的面作为内部边界，边值条件通过试验给定，并对各计算区域分别赋值，具有较高的可信度；对决定扫气道形状的主要参数进行研究和优化，选取了一种能达到较好扫气效果的改进方案，通过试验验证表明，改进后功率提高了 18.5%，同时排放比原机排放降低了 31%18。 华中理工大学的杨文用 Simple 数值方法在稳流试验台上对进气道的流动情况进行了三维模拟计算19。 纵观二冲程发动机扫气过程数值模拟计算的发展，对于计算模型的精度要
22、求越来越高：在选取计算区域时，若仅选气缸部分为研究对象，则不容易确定进出口边界条件，使计算结果不准确，不具备工程应用价值，而进气道和排气道处的进出口边界比较容易确定，因此应该将气缸与进气道、进气口、排气门（口）及排气道联接成一个系统来进行数值计算；另一方面又要考虑现有的计算机硬件条件的限制，将计算域仅限于缸内是的，若将整个换气系统作为计算区域，会使模型的网格数目急剧增加，计算也会变得繁琐。因此在选择研究对象时，应选择既便于测得边界条件又具有工程应用价值的区域20。1.2.2对置气缸对置活塞二冲程柴油机的发展现状 近年来，OPOC 二冲程柴油机的研究逐渐增加。2005 年 Lixin Peng
23、等设计了应用于辅助动力装置的高速 OPOC 发动机模型，对 OPOC 发动机进行了一维工作过程仿真，在转速为 10000rpm 的工况下对比在不同的进排气口高度下的发动机功率，其结果是优化的进气口高度为 4-5mm，排气口高度在 4mm 的情况下得到最大功率。随后他们利用star-cd 三维软件进行了三维扫气过程仿真同样得到不同进气口和排气口高度的扫气效率和留在气缸内的新鲜空气量，进过分析论证认为在一维仿真结果的基础上将进排气口高度都降低为 3mm 为最优化的方案。之后建立运动学模型并进行机构的有限元分析，得到了不同组件的应力分析。最后通过试验样机进行了测试，证明在作为辅助动力装置为卡车怠速行
24、驶时提供电力的优势，并证明 OPOC 发动机能达到很高的扫气效率21。 Peter Hofbauer 等设计应用于卡车动力的 OPOC 发动机模型。首先利用一维仿真分析对 OPOC 发动机的增压系统进行了匹配，同样利用一维仿真分析对进排气正时和歧管尺寸进行了仿真对比，得到进气口高度为 19.4，排气口高度为 26.08 的优化方案。随后进行了扫气过程的三维仿真，设计了不同的进排气道方案，仿真结果显示了最优进排气道方案的扫气效率达到 85.6%，优于一维仿真的 80%，之后文章对三维燃烧过程进行了仿真，分析了不同燃油喷射方案对燃烧过程的影响，得到了优化的 3 孔喷油方案，最后通过对 OPOC 发
25、动机的有限元分析和机构动力学分析，比较系统的研究了该发动机的工作过程，证明 OPOC 发动机在军事地面车辆应用上能提供更好的驾驶性能22。 James Kalkstein 等进一步对高速 OPOC 发动机的一维工作过程进行了仿真研究，分别在发动机转速为 8000、10000、12000rpm 的工况下进行仿真模拟，得到了不同气口高度下的发动机功率、EGR 含量、燃油量、平均有效压力等数据，随后又利用三维仿真工具进行扫气研究，得到了最优的进排气口高度，然后按照三维仿真结果修正一维仿真的扫气数据，进一步预测了 3 中不同转速下的发动机功率、扭矩、燃油消耗量、最大爆发压力、EGR 量等。文章同样进行
26、了结构仿真分析得到了各部件的应力曲线。最后建立试验平台研究了 OPOC 的喷油器参数对发动机性能的影响23。 Michael Franke 等对 450 马力 OPOC 发动机的燃烧过程进行仿真研究，针对不同的喷孔数、喷油提前角、喷油规律、喷油量、涡流强度进行方案匹配设计，得到了不同方案的仿真数据，通过对比各方案的空气利用率、油滴-壁面接触、燃烧进程等结果得到最优的喷油设计方案，然后通过实验和仿真结果对比为性能提升提供方向。文章也对增压器进行了匹配研究，对扫气过程进行了研究，最后对一维工作过程仿真进行了优化。证明在有限的实验数据条件下，CAE 工具能够合理的预测出 OPOC 原型机的性能24。
27、 许汉君等针对 OPOC 发动机的混合气形成和燃烧过程进行了仿真模拟，分别设计了进气口的涡流和滚流方案，仿真得到了缸内的涡流和滚流的速度矢量图，也得到了涡流和滚流的变化曲线、湍流动能变化曲线、空气利用率曲线等，通过对比组织缸内的两种流动，分析出两种不同流动对燃烧过程的影响和优缺点，预测了发动机的性能25。 陈文婷等对额定功率为 160kw、转速为 2500rpm 的 OPOC 发动机扫气过程作了仿真研究，对仿真结果计算得到了该工况的扫气效率达到 94%，然后通过对缸内流动的分析证明采用直流扫气方式可以有效提高高速二冲程发动机扫气质量26。 刘长振等利用 boost 软件进行 OPOC 发动机一
28、维性能分析的方法做了研究，证明通过等效容积原理，以活塞运动规律曲线作为输入条件进行 OPOC 发动机的性能分析的方法是可行的27。 章振宇等人对另一种OPOC发动机的扫气过程进行了仿真研究，针对扫气过程中的扫气口结构、气口高度、涡流的形成等对扫气质量的影响进行分析研究，仿真得到了缸内扫气过程的扫气口流量变化曲线、扫气效率曲线、涡流比曲线等，并得到了缸内流动的云图。通过对比，阐述不同扫气口高度和扫气口倾角对扫气的作用，得到最优的方案。另一篇对 op 发动机在 2500rpm 时刻不同喷油规律的燃烧过程进行仿真研究，设计了矩形、梯形等不同的喷油方案，计算得到当量空燃比、湍流混合速率、放热率等结果，
29、阐述了不同喷油规律的优缺点2829。 裴玉姣通过建立 OPOC 发动机的一维模型，分别设计了进气口高度不同方案和排气口高度不同的方案，对比不同工况下，扭矩、比油耗等随气口高度改变而产生的变化。在确定了气口高度方案后，又设计了不同气口位置的仿真方案，并进行了配气相位的正交仿真试验，得到了气口高度和气口相位相配合的最优方案。最后通过三维扫气仿真研究了气口结构对扫气过程的影响30。 刘军萍对 OPOC 发动机的燃烧过程进行了仿真分析，对比了不同喷孔角度方案对扫燃烧过程的影响，并确定了优化的喷油角度方案31。 赵晓辉对不同喷油提前角的燃烧方案进行了对比研究，确定了喷油提前角的优化方案32。 夏孝朗以
30、EcoMotors 公司的 EM100 发动机作为研究对象，搭建了实验和仿真平台，建立基于 OPOC 性能目标的增压器数学模型，通过开发的增压器优化匹配软件优化得到最佳的增压器匹配方案；按照选定的增压器模型和发动机数学模型进行了一维仿真，进行了进排气口高度设计优化；根据实验数据仿真负荷特性曲线和外特性曲线上工况点的扫气质量，对比结果得到改善扫气效率的方案；三维燃烧过程的仿真对比了不同喷油角度和喷油提前角对燃烧性能的影响33。 此外，张文春、徐元利等很多研究者都对对置活塞式的发动机进行了相关的研究，促进了 OPOC 发动机的技术发展343536。 1.3 双对置发动机的概念 在目前全球能源紧缺和
31、环境污染日趋严重的局势下, 我们急需开发出节能高效的发动机。2008年，在美国底特律汽车工程学会年会暨展览会上，美国陆军坦克机动车辆研究发展与工程中心(TARDEC)展示了其最新研发的 OPOC 双对置发动机。图 1.1 OPOC 发动机概念简图 该发动机采用对置活塞对置气缸（OPOC, Opposed Piston Opposed Cylinder）的结构设计，通过气缸两端周向布置的进排气口实现换气。与传统发动机设计相比，没有气缸盖和配气机构等的零部件。这种巧妙的结构设计使发动机的结构简单、零部件减少超过50%，紧凑高效，达到了轻量化设计目标。OPOC 发动机的特殊设计使气缸内压力和两个活塞
32、运动产生的往复惯性力可以实现自平衡，大大减小了对主轴承和曲柄箱的负荷，使发动机的使用耐久性大大提高，显著降低了后期维护成本；活塞的相对运动可使推拉力相互抵消，使发动机振动更小、运行更平稳和噪声更低。 OPOC 发动机独特的直流扫气方式有效提高了高速二冲程柴油机的扫气效率,从而使发动机性能和功率密度得到提高，相同气缸容积的 OPOC 发动机功率能够达到传统四冲程发动机的 4 倍。OPOC 发动机的模块化设计可以实现同时停止供油和中止活塞运动的停机技术，从而减少摩擦损耗，提高发动机性能模。块化设计也使发动机能够覆盖更宽广的功率输出范围，应用到更多的动力需求场合。 OPOC 发动机由创新设计和技术带
33、来的优势使发动机内部摩擦减小超过 50%，热损失降低约 30%，多模块设计的可变排量技术可使油耗降低超过 50%。通过完善换气增压、超临界燃油喷射和提高燃烧压力等技术可使 OPOC 发动机具备超过 70%的节油潜力，达到节能环保的要求。 第二章OPOC发动机结构特点及优势和运动分析2.1 OPOC发动机的结构 OPOC发动机结构如图2.1所示，从图中可知：与传统发动机相比，无论是零件结构还是总体布置都有很大区别，OPOC 发动机主要由一根曲轴、二副缸套、四只活塞、六条连杆组成。具体由外活塞、外连杆、外曲柄组成一组；内活塞、内连杆、内曲柄组成另一组。单缸中内、外曲柄共一根曲轴；而且左缸与右缸之间
34、共同一曲轴。OPOC发动机的两个水平对置的气缸，分别置于曲轴的两侧，每个气缸的两个活塞通过内外连杆与曲轴相连，这样大大缩小了发动机的质量和体积，工作时两个活塞在内外连杆的作用下做相向运动，双对置发动机特殊的结构决定了它有其他机型不具备的优点。图2.1 OPOC发动机结构示意图2.2 OPOC发动机的结构特点及优势2.2.1可控直流扫气 扫气质量的优劣直接影响到混合气的形成与燃烧过程，进而影响到发动机的动力性、经济性和排放性能，与四冲程发动机相比，由于传统二冲程发动机扫气时间短，进排气过程同时进行，导致新鲜充量与废气掺混严重， 缸内残余废气系数较大，扫气质量差等问题，针对以上扫气缺陷，OPOC发
35、动机采用可控直流扫气方式，进排气口位于气缸的两侧看，沿整个气缸圆周分布，进气口由一直流排和一涡流排组成，排气口由单一直流排组成，气口的开闭由对置活塞控制，扫气口沿切线方向排列，使进入气缸的充量一边绕气缸轴线旋转，一边沿气缸轴线向前推进，形成一个“空气活塞”，将废气推出气缸，较好地避免了新鲜充量和废气的相互混合。另外，错拐曲轴结构实现了非对称换气相位，使得排气口的开闭总是比进气口早，可以实现过后充气，相比传统二冲程发动机排气结束时40%50%的残余废气，OPOC发动机仅有不到10%的残余废气，大大降低了残余废气系数，有效改善了二冲程发动机的扫气质量。2.2.2轻量化且高功率密度 相比传统发动机，
36、OPOC发动机取消了气缸盖和配气机构，仅有一根曲轴传递动力，减少了超过25%的零部件，大大简化了结构；另外轻质材料（诸如镁合金曲轴箱，钛合金外连杆）的使用也大幅度减轻了发动机的质量，简单的设计缩短了发动机的开发周期，制造成本明显降低，使用耐久性大大提高。在相同气缸容积的前提下，OPOC发动机功率是传统四冲程发动机的四倍，目前OPOC汽油机的最大功率已经达到约100kW，其柴油机功率范围已覆盖7.4kW441kW，完全具备应用于商用车领域的条件。OPOC发动机与传统发动机的技术参数对比，从表1中可以看出：OPOC发动机的体积和质量是现有发动机的1/2，外形大小相当于一个大公文包，却拥有高达1.3
37、kW/kg的功率密度,是普通内燃机的23倍。更小的体积，更大的功率，这正是对置活塞对置气缸发动机的创新之处，也为发动机的轻量化设计提供了一种新的思路。表1 OPOC EM柴油机与传统V8柴油机技术参数对比技术参数OPOC EM100柴油机传统V8柴油机外形尺寸（长宽高）/mm体积/dm32.56.6质量/kg163.2407.9功率/kW213（3500r/min）221（3300r/min）比功率/（kW/kg）1.310.542.2.3 低油耗 低排放 传统二冲程发动机由于燃烧不充分而造成的排放差和油耗高一直是制约二冲程内燃机发展的的瓶颈，在二冲程发动机研发过程中，设法提高排放的设计都以失
38、败而告终，而OPOC发动机采用了独特的电控涡轮增压器技术，扫气质量得到明显提高，燃烧更加完全，使得排放得到有效改善，与普通二冲程发动机相比，对置活塞对置气缸发动机的氮氧化合物排放量减少了25%35%，其尾气排放可与普通四冲程发动机相媲美。 另外，它采用了模块化设计，每个模块结构完整，可以独立运行，模块之间通过电控离合器彼此相连，离合器使各模块同步运行，提供了一种可变排量发动机，此举不仅能够减少废气排量，而且还可以提高燃油经济性，研究表明：单模块OPOC燃油经济性提高了15%， 双模块OPOC燃油经济性提高了45%，OPOC三组合混合动力燃油经济性可提高55%。加之直流扫气和电控喷油技术的应用使
39、燃油和空气混合更加均匀，燃烧更加充分，有效地改善了传统二冲程发动机排放差和油耗高的问题。 图2.2和图2.3分别为OPOC发动机和其他机型在碳排放和燃油经济性提高的对比，从中可以看出：相比传统发动机，OPOC发动机在排放和经济性方面有明显优势，所以在能源危机日趋严重，排放法规越来越严格的21世纪，节能环保的双对置二冲程发动机必将占有一席之位。图2.2 OPOC发动机与传统发动机碳排放对比图2.3 各类发动机燃油经济性提高的对比2.2.4良好的平衡性和缓振性 双对置二冲程发动机总体结构对称布置，内外活塞，长短连杆的独特结构使爆发压力通过活塞和连杆传递给同一根曲轴， 由于作用力方向相反，因此相互平
40、衡掉大部分主轴承载荷，有效改善了工作摩擦和曲轴箱的机械负荷，大大降低了曲轴箱设计刚强度要求。 为了平衡往复惯性力，OPOC发动机采用了内外连杆的特殊结构，内连杆主要承受压应力，长度较短，刚度大，而外连杆主要承受拉应力，设计的轻巧细长，降低了外连杆质量，以便减小往复运动的惯性力，对置活塞在连杆拉力和压力的共同作用下，可使曲轴受力平衡37。同时为了减少摩擦损失，OPOC发动机气缸中心线相对于曲轴中心线偏置了7.72mm，这样的设计使得连杆与曲轴中心线位于一条直线上，在接近上止点时连杆承受最大负荷，降低了侧向力，相比传统发动机，OPOC发动机内部摩擦减少50%， 最大制动热效率高达41%，另外，对置
41、活塞设计可以省去传统发动机上的气缸盖和阀控式组件，改善了活塞活塞环的摩擦磨损特性，降低了发动机噪声，对置气缸的特点使得OPOC发动机运行更加平稳，解决了往复式内燃机的振动问题，提高了整机的振噪平顺性。2.2.5 扁平燃烧室，侧喷射燃烧 OPOC发动机燃烧室的设计结合了现代经典直喷式柴油机的优点和双对置发动机的布置，由内外两个活塞共同组成扁平燃烧室，考虑到扫气及喷油器匹配的需要，进气侧燃烧室的形状不同于排气侧燃烧室，进气侧活塞凹坑是对称圆形，而排气侧活塞凹坑是椭圆形的，如图2.4和图2.5所示，其形状有利于提高扫气效率和对冲喷油方式的燃烧组织形式。图2.4 进气侧圆形燃烧室图2.5 排气侧椭圆形
42、燃烧室OPOC发动机每个气缸有两个高压喷油器，喷油器的安装位置不同于传统柴油机，需布置在气缸套侧壁上，并且喷雾方向旋转了90度。 双对置发动机喷油系统的独特性在于侧面喷射，传统直喷柴油机燃油从燃烧室中心向边缘喷射， 而OPOC发动机喷雾是从边缘高密度区域到中心低密度区域，由于涡流对液滴有很强的侧向力，过大的涡流比会使缸壁周围气体密度加大，不利于油束贯穿，同时使油束发生倾斜，为了使油束到达燃烧室中心，喷雾液滴必须具备足够的能量，因此，与传统的直喷柴油机相比，OPOC发动机需要有相对较大的油滴直径和较低的涡流比。另外，喷孔的数目受限于燃烧室的几何形状，研究表明：三孔喷油明显好于四孔喷油，因为三孔喷
43、油的空气利用率高，更有利于油气的均匀混合。2.3对双对置结构布置形式的发动机进行运动分析2.3.1活塞运动规律 单缸中每个活塞的运动规律与传统发动机类似，但有区别：每缸的活塞运动时，上止点与下止点之间的曲轴转角间隔并不一定是 180CA；各缸上止点相隔的曲轴转角有可能但并不一定是 180 CA。它们的具体值由发动机的左右两缸中形如“蝴蝶结”的内、外 4 个曲柄间夹角所决定。当发动机运行到图 2.6（a）时，内、外曲柄分别与水平中心轴的夹角为0 、0、0、0，图中 IPI 表示内进气活塞、OPE 表示外排气活塞、OPI 表示外进气活塞、IPE 表示内排气活塞。发动机再顺时针运行角，发动机所处曲轴
44、转角的位置如图 2.6(b)所示。以 O 点为中心，向上为 Y 轴正向、向左为 X 轴正向建立直角坐标，即可求出左右两缸的内活塞与外活塞以为变量的运动规律。 a)b)图 2.6 OPOC 发动机运动结构示意简图设定 e 为气缸中心与曲轴中心偏心距 OO，mm；l1为内连杆长度；r 1为内曲柄长度，mm ；l2为外连杆长度；r2为外曲柄长度，mm；则四个活塞的位移为： 则左缸或右缸综合行程 SL或 SR即内外活塞位移差为： 根据以上式子对新型 OPOC 发动机的内外活塞运动规律进行计算，结果如图2.7与图 2.8所示。图2.7 OPOC发动机内外活塞各自行程图2.8 OPOC发动机活塞综合行程2
45、.3.2 结果分析 从图 2.7(b)可知，右缸于 180 曲轴转角时达到上止点（气缸容积为最小值时所对应的曲轴转角），但此时并不是内外活塞位移的极值点，且内外活塞位移并非同时达到最值点（内活塞达最小位置，外活塞达最大位置；反之，亦然），如图2.7(a)所示；于 364（不是在 360 ）达到下止点，也即上下止点曲轴转角间隔为 184 而不是 180 ；经过 360 后又重新达到上止点或下止点。这种规律同样适合左缸。左缸在 360 达到上止点，于 544 达到下止点。也就是说：单缸一个循环为 360 ，上、下止点相隔为 184 ,而下、上止点相隔 176 ；两缸之间相位相差 180 。 有相关
46、文献对 OPOC 发动机的活塞进行过研究，其公式只能运用内曲柄之间、外曲柄之间对称（0=0、0=0）的情况，而不对称的情况则不能运用39。此处的活塞运动规律的理论公式具有普遍适用性，即无论是内曲柄之间、外曲柄之间是否对称，即与水平中心线的夹角是否相对称，都能应用以上公式。 2.4本章小结2.4.1 OPOC发动机的结构特点及优势本章第一部分主要介绍了新型 OPOC 发动机的结构特点及其优点，可以概括为如下几点。（1）轻质高功率密度，既提升了动力性，又降低了成本，易于实现发动机的小型化和轻量化设计。（2）双对置结构能够使发动机自身受力平衡，振动小，提高了整机的振噪平顺性。（3）直流扫气和曲轴错拐
47、技术的应用，使得OPOC发动机缸内残余废气大大减少，扫气质量得到明显提高。（4）电控涡轮增压技术，模块化设计及新型燃烧室的使用，有利于混合气的形成，使得燃烧更加充分，有效改善了二冲程发动机排放差和油耗高的问题。（5） 无缸盖，无阀系，零件少，OPOC 发动机无缸盖，用进、排气活塞控制进排气的扫气过程，除掉了阀系。一方面，零件减少，降低了成本；另一方面，完全消除了阀系的噪音。 另外，活塞的侧向应力减少了，进一步降低了机械噪音。2.4.2活塞运动规律本章在第二部分用图示法解析了其活塞运动规律，得出了以下结论。（1）气缸上止点并不是内活塞运动至最大位置时刻与外活塞运动至最小位置时刻（以曲轴轴线中点为直角坐标原点）。而且每缸的内外活塞位移并非同时达到最值点（即内活塞达到最小位移时外活塞并没达到最大位移；反之，亦然）。 （2）单缸一个循环为 360 曲轴转角，但上、下止点相位差为 184 曲轴转角，而下、上止点相位差 176 曲轴转角。 （3）两缸之间相位相差 180 曲轴转角，即右缸于 180曲轴转角达到上止点，则左缸于 360曲轴转角到达上止点。 由此可见，OPOC发动机兼具四冲程发动机低排放和二冲程发动机结构简单的优点，在能源危机日益严重，排放法规越来越严格的未来，OPOC发动机具有很大的市场潜力第三章 扫气过程的研究3.