發動機滾流比分析與研究

李炳男　王義夫　于洪鑫　何永超（長城汽車股份有限公司技術中心河北省汽車工程技術研究中心，保定071000）

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發動機滾流比分析與研究

李炳男王義夫于洪鑫何永超
（長城汽車股份有限公司技術中心河北省汽車工程技術研究中心，保定071000）

【摘要】通過對比3種滾流比狀態下的性能數據，研究滾流比對PFI發動機性能影響的規律。通過對比不同滾流比下的油耗、扭矩、排放數據可知，增大滾流比可以改善發動機中高負荷的燃燒速度；高滾流比明顯增加了低速段外特性扭矩，同時可以降低中高負荷油耗率，相應THC排放也有所降低；對于滾流比較小的PFI發動機，可以適當加大滾流比以提高性能及降低油耗。

主題詞:發動機滾流比性能

1　前言

發動機氣缸內的氣體流動對發動機的燃燒過程及排放特性有著重要的影響作用。隨著人們對動力性和燃油經濟性需求的提高，發動機強化程度越來越高，高壓縮比、高充氣量燃燒系統已成為當今汽油發動機主流技術方向[1]。

滾流是發動機進氣過程中形成的繞氣缸軸線垂直旋轉的有組織的空氣旋流。滾流在壓縮過程中其動量衰減較少，并可保存在壓縮行程末期，當活塞接近于上止點時，大尺度的滾流將破裂成眾多小尺度的渦流，使湍流強度和湍流動能增加，有利于提高火焰傳播速度，改善性能[2]。

合理的滾流可以增加燃燒室內油氣混合氣的湍流強度，改善燃燒狀況，達到提升發動機性能和降低油耗的作用，已經成為發動機重點研究內容。

2　發動機參數及設備

2.1發動機參數

采用1.5T PFI發動機，配合不同滾流比缸蓋進行流道選型試驗，進而研究滾流比對發動機性能的影響過程。該發動機具體參數如表1所列。由于PFI發動機不能像GDI發動機一樣通過2次噴射降低缸內溫度，其滾流比較小，一般在0.4～1.0之間，故本次試驗對比的缸蓋滾流比分別為0.44、0.77和1.00。

表1發動機具體參數

圖1為各個滾流比缸蓋下的流量系數。可知，3款缸蓋基本一致。

圖1　流量系數對比

2.2臺架布置及相關設備

臺架布置如圖2所示。主要設備包括：電力測功機、燃燒分析儀、HORIBA排放柜、ES630、INCA等。發動機采用機油外循環、冷卻水外循環控制溫度。

圖2　臺架布置示意

3　試驗方法

在進行滾流比選型試驗過程中，僅更換不同滾流比的缸蓋進行選型試驗，而其它部件（凸輪軸、增壓器、缸體等）是一致的，以保證各個方案最終結果的不同是由滾流比的差異導致的。選型過程中，其它參數的控制原則如表2所列，其中AI50為INDICOM通過實時缸壓計算出的燃料燃燒50%時所對應的曲軸轉角，該值反應了缸內燃料燃燒速度的快慢。

表2各變量控制原則

試驗完成后，綜合性能、油耗、排放、標定數據MAP平順性、排氣溫度等，確定最優VVT、點火角、空燃比，并進行3種狀態滾流比對比研究工作。主要對比3種滾流比缸蓋下的外特性及2 000 r/min負荷特性的性能及排放，以研究不同滾流比對發動機的影響。

4　試驗結果

4.1外特性對比

圖3、圖4為各滾流比下外特性性能、燃油消耗率及空燃比的對比狀況。

圖3　各滾流比下外特性性能及燃油消耗率對比

動力性方面，1.00滾流比扭矩最大，0.44滾流比在1 700 r/min以上轉速段性能與0.77基本一致（通過數據可以看出，該轉速段0.44滾流比較0.77滾流比扭矩高2～3 N·m，鑒于測功機本身精度及INCA數據操作偏差，可以認為兩款滾流比性能基本一致），但在1 000～1 700 r/min低速段，1.00滾流比缸蓋扭矩優勢明顯，其中1 500 r/min優勢最明顯，較0.44滾流比扭矩提升17.8%，較0.77滾流比扭矩提升6.1%。即1.00滾流比性能最優，0.44滾流比最差，在低速段該趨勢最為明顯。

圖4　各滾流比下λ對比

經濟性方面，在中高轉速段（1 700～4 000 r/min），1.00滾流比油耗最優（個別工況下，1.00滾流比最多能夠減少0.44滾流比10.6%油耗，減少0.77滾流比6%油耗），0.44滾流比最差。該結果與圖4空燃比對比結果一致。

圖5、圖6為各滾流比下的最優VVT角度及點火提前角控制參數對比。

圖5　最優VVT角度對比

圖6　最優點火提前角對比

由圖5可以看出，各滾流比選出的最優VVT角度基本一致，即滾流比的更改對最優VVT的選擇影響較小。

由圖6可以看出，0.44滾流比點火提前角最小，1.00 與0.77滾流比點火提前角一致。可見，滾流比的變化對發動機燃燒狀況影響較大。

滾流比的提高增加了湍流強度，火焰傳播速度加快，持續燃燒期縮短，放熱率提高，進而改善燃燒過程，提高發動機動力性[3]。圖7～圖9為各燃燒參數對比情況，結合點火提前角進一步對各滾流比下的燃燒狀況進行分析研究。

由圖7可以看出，1.00滾流比燃燒速度明顯快于0.44和0.77滾流比，0.77和0.44滾流比燃燒速度相差不大，0.77滾流比略有優勢。該結果與圖8速燃期結果一致。

有效熱效率是衡量發動機經濟性的重要指標，表征燃料燃燒熱量中轉化為有用功的百分比，有效熱效率高也說明燃燒速度快、燃燒效率好。由圖9可以看出，在1 700～4 000 r/min范圍內，1.00滾流比有效熱效率明顯高于其它兩款滾流比，0.77滾流比略優于0.44滾流比，該結果與燃油消耗率、AI50和速燃期趨勢一致。

4.2負荷特性對比

選取整車常用的2 000 r/min進行負荷特性選點工作，圖10～圖12為選取最優的各負荷特性對比情況。由圖10～圖12可知，在中低負荷區域，各個滾流比下的燃油消耗率、排放基本一致，但在中高負荷區域，大滾流比缸蓋優勢逐漸顯現，1.00滾流比最多能夠減少14%的油耗率，同時由于該區域燃燒狀況好，其碳氫排放也相應較少。由于1.00滾流比在中高負荷燃燒狀況好、空燃比較大，相對氧濃度較高，在高溫、富氧環境下NOx較多。

圖1　02 000 r/min負荷特性燃油消耗率對比

圖1　12 000 r/min負荷特性THC對比

圖1　22 000 r/min負荷特性NOx對比

5　結束語

PFI發動機滾流比一般較小（1.00左右），在流量系數不變的前提下，對比研究了不同滾流比對發動機性能的影響過程。結果表明，滾流比對發動機最優VVT組合基本沒有影響；隨著滾流比的增加，發動機扭矩、油耗方面優勢逐漸顯現，且燃燒速度也逐漸加快；滾流比對低速段（1 000～1 700 r/min）發動機扭矩的影響比較明顯（1.00滾流比最多能提升0.44滾流比17.8%扭矩），對中速段（2 000～4 000 r/min）燃油消耗率的降低非常明顯（1.00滾流比最多降低14%燃油消耗率）。

參考文獻

1John B Heywood.Trends in performance characteristics of modern automobile SI and diesel engines.SAE Paper 2009.

2周保龍.內燃機學.北京:機械工業出版社,2010.

3許振忠.滾流對火花塞點火式發動機性能的影響.汽車工程,2001,23（4）:247～251.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年1月1日。

圖7　AI50對比

圖8　速燃期對比

圖9　有效熱效率對比

Analysis and Research on Engine Tumble Ratio

Li Bingnan,Wang Yifu,Yu Hongxin,He Yongchao
（R&D Center of Great Wall Motors Company,Automobile Engineering Technology Center of Hebei,Baoding 071000）

【Abstract】By comparing performance data under three tumble ratios,this paper compares the influence rule of tumble ratio on PFI engine performance.We know by comparing fuel consumption,torque and emission that a higher tumble ratio can improve combustion velocity at the mid-to-high load area.And higher tumble ratio can obviously increase the external characteristic torque at low speed,and it can also decrease the fuel consumption and THC emission at the midto-high load area.Increasing tumble ratio appropriately is good for PFI engine to improve engine performance and reduce fuel consumption.

Key words:Engine,Tumble ratio,Performance

中圖分類號:U464.1

文獻標識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）03-0049-03