一种直流扫气对置活塞发动机扫气过程控制装置及方法

本发明属于能源动力领域，涉及一种对置活塞发动机扫气过程控制装置及方法。

背景技术：

1、对置活塞发动机结构简单，功率密度大且热效率高，广泛应用于航天、航海和军事等领域。在20世纪末期，排放法规限制了对置活塞发动机的推广应用。随着科技进步，对置活塞发动机的排放问题已被解决，相关应用研究再次兴起。

2、相比于常规柴油机，对置活塞发动机没有气缸盖，一个气缸内有两个对置安装的活塞，在相同的排量和缸径下，能够减少热损失，提升热效率。此外，对置活塞发动机没有凸轮轴和配气机构，机械效率更高。

3、尽管对置活塞发动机部分性能优势明显，但相比于传统机型有许多需要解决的问题。常规四冲程发动机有独立的进气、排气冲程，而大部分对置活塞发动机采用二冲程直流扫气。直流扫气是二冲程发动机换气过程中最高效的换气方式。

4、进气旋流是影响扫气性能的关键因素，进气旋流越强，新鲜空气通路越靠近气缸壁，进气旋流越弱，新鲜空气通路越靠近气缸中心。大量研究显示，通过优化进气旋流，能够在气缸内形成均匀的扫气面，提升扫气性能。

5、从直流扫气的工作原理能够看出，进、排气过程同时进行易导致新鲜空气与废气的掺混，且在进气门开启时易出现废气回流。相同转速下，二冲程发动机的换气时间仅为四冲程机型的一半。上述因素导致直流扫气对置活塞发动机的扫气性能差。在探究过程中，发现废气回流会对扫气过程产生明显影响，在不同工况下实现废气回流的有效控制是提升直流扫气对置活塞二冲程柴油机扫气性能的有效途径。目前尚未实现对直流扫气对置活塞发动机进气旋流和废气回流的同时控制。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提供一种直流扫气对置活塞发动机扫气过程控制装置及方法，通过将直流扫气对置活塞发动机的单进气道改进为双进气道，使用第一气道对旋流进气口进行独立控制，使用第二气道对直流进气口进行独立控制，第一气道与第二气道之间的气流状态相互独立，从而通过双进气道结构实现双层进气口的独立控制。通过调整第一气道内的进气压力改变进气旋流强度，进而调整扫气面以提升扫气效率；通过调整第二气道内的进气压力，改变气流的轴向速度以调整扫气速率。通过双进气道内进气压力的独立调节，分别精确匹配直流进气口、旋流进气口开启时刻的缸内压力，避免废气回流的同时提高供气利用率，减少供气功率损失。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

3、本发明公开的一种直流扫气对置活塞发动机扫气过程控制装置，所述直流扫气对置活塞发动机包括进气道、进气活塞、缸套、排气活塞、排气道，缸套上含有进气口和排气口，进气活塞在缸套内运动以控制进气口的开闭，排气活塞在缸套内运动以控制排气口的开闭，进气道与缸套上的进气口连接，排气道与缸套上的排气口连接，所述进气道为单进气道。本发明公开的一种对置活塞发动机废气回流抑制装置将单进气道改进为双进气道，第一气道用于对旋流进气口进行独立控制，第二气道用于对直流进气口进行独立控制，第一气道与第二气道之间的气流状态互不影响，通过双进气道结构实现双层进气口的独立控制。当使用旋流进气口和直流进气口双层气口时，旋流进气口更接近内止点。所述进气口高度根据发动机转速需求配置。

4、

5、采用双进气口时，进气口总高度不变。当气口高度比α＞0.5时，旋流进气口高度hx更大，产生进气旋流的能力更强，而扫气速率变慢。当气口高度比α＜0.5时，直流进气口高度hz更大，产生进气旋流的能力更弱，而扫气速率加快。作为优选，根据发动机转速需求配置进气口高度，使扫气调节能力与进气旋流、扫气速率控制需求匹配。

6、本发明还公开一种直流扫气对置活塞发动机扫气过程控制方法，用于控制所述一种直流扫气对置活塞发动机扫气过程控制装置。所述一种直流扫气对置活塞发动机扫气过程控制方法，实现方法如下：

7、由于旋流进气口和直流进气口安装于缸套上，旋流进气口更接近内止点，以保证扫气过程中旋流进气口先打开，缸内气体先形成旋流扫气面；随后部分气流通过直流进气口进入气缸，能够增加气流的轴向速度，加速扫气速率。通过调整第一气道内的进气压力改变进气旋流，进而调整扫气面以提升扫气效率。通过调整第二气道内的进气压力，改变气流的轴向速度以改变扫气速率。根据旋流进气口开启时刻的缸内压力确定旋流进气道内的最低进气压力值，通过保证旋流进气道内的最低进气压力值大于旋流进气口开启时刻的缸内压力，避免旋流进气道内出现废气回流；根据直流进气口开启时刻的缸内压力确定直流进气道内的最低进气压力值，通过保证直流进气道内的最低进气压力值大于直流进气口开启时刻的缸内压力，避免直流进气道内出现废气回流。通过双进气道内进气压力的独立调节，分别精确匹配直流进气口、旋流进气口不同开启时刻的缸内压力，提高供气利用率，减少供气功率损失。

8、旋流进气口有利于进气旋流的产生，但会降低气流的轴向速度。直流进气口不利于进气旋流的产生，但会增加气流的轴向速度。作为优选，根据柴油机转速调整进气时第一气道和第二气道内的进气压力以实现缸内旋流强度和气流轴向速度的连续调整，具体实现方法如下：当直流进气道内的进气压力pz不变时，增加旋流进气道内的进气压力px能够增加旋流进气口的进气流量和缸内进气旋流，减少旋流进气道内的进气压力px能够减少旋流进气口的进气流量和缸内进气旋流。当旋流进气道内的进气压力px不变时，增加直流进气道内的进气压力pz能够增加直流进气口的进气流量和减少缸内进气旋流，减少直流进气道内的进气压力pz能够减少直流进气口的进气流量和增加缸内进气旋流。

9、根据发动机转速需求配置进气口高度，使扫气调节能力与进气旋流、扫气速率控制需求匹配。具体实现方法如下：应用于低转速发动机时，选用气口高度比α＞0.5的双进气口缸套，产生进气旋流的能力更强，扫气速率更慢。应用于高转速发动机时，选用气口高度比α＜0.5的双进气口缸套，产生进气旋流的能力更弱，扫气速率更快。

10、有益效果：

11、1、本发明公开的一种直流扫气对置活塞发动机扫气过程控制装置及方法，通过将直流扫气对置活塞发动机的单进气道改进为双进气道，第一气道对旋流进气口进行控制，第二气道对直流进气口进行控制，第一气道与第二气道之间的气流互不干涉，通过双进气道结构实现双层进气口的独立控制。

12、2、本发明公开的一种直流扫气对置活塞发动机扫气过程控制装置及方法，通过调整第一气道内的进气压力改变进气旋流，进而调整扫气面以提升扫气效率；通过调整第二气道内的进气压力，改变气流的轴向速度以调整扫气速率。通过双进气道内进气压力的独立调节，分别精确匹配直流进气口、旋流进气口不同开启时刻的缸内压力，避免废气回流的同时提高供气利用率，实现供气功率的最小化。

13、3、本发明公开的一种直流扫气对置活塞发动机扫气过程控制装置及方法，通过持续调整两个进气道内的进气压力，实现进气旋流的实时连续控制，能够在实际应用时根据不同的使用工况进行供气能力的灵活调整。

14、4、本发明公开的一种直流扫气对置活塞发动机扫气过程控制装置及方法，根据旋流进气口开启时刻的缸内压力确定旋流进气道内的最低进气压力值，根据直流进气口开启时刻的缸内压力确定直流进气道内的最低进气压力值，避免旋流进气道和直流进气道内废气回流的发生，有利于提升扫气性能。

15、5、本发明公开的一种直流扫气对置活塞发动机扫气过程控制装置及方法，根据发动机转速需求配置进气口高度，使扫气调节能力与进气旋流、扫气速率控制需求匹配。当应用于低转速柴油机时，选用气口高度比α＞0.5的配置，产生进气旋流的能力更强，扫气速率更慢。当应用于高转速柴油机时，选用气口高度比α＜0.5的配置，产生进气旋流的能力更弱，扫气速率更快。