可變進氣滾流技術對增壓直噴發動機油耗及排放影響的研究?

馬 為，王春龍，張恩源，張小燕，劉 斌

(重慶長安汽車股份有限公司，重慶 300082)

可變進氣滾流技術對增壓直噴發動機油耗及排放影響的研究?

馬 為，王春龍，張恩源，張小燕，劉 斌

(重慶長安汽車股份有限公司，重慶 300082)

在長安一款1.5L缸內直噴渦輪增壓發動機上進行了可變進氣滾流技術的仿真和試驗研究。研究主要聚焦于催化劑起燃工況，同時也關注了穩態部分負荷工況的燃油消耗，分析了幾種不同的可變進氣滾流方案在催化器起燃工況對滾流比和湍動能的影響和在部分負荷工況對油氣混合質量和燃燒室表面濕壁量的影響。最后通過優化電噴參數，獲得在催化器起燃和部分負荷穩態工況最優的方案。試驗結果表明，采用可變進氣滾流技術能提高燃燒穩定性，降低發動機油耗和排放。

增壓直噴發動機；可變進氣滾流；油耗；排放

前言

排放、油耗法規的進一步嚴格對傳統內燃機的開發提出了更高的要求。尤其國六排放引入PN排放對直噴汽油機更是挑戰[1]。強化缸內流動、改善油氣混合質量、加速燃燒是傳統內燃機優化的主要方向[2]。

當前強化缸內流動、促進油氣混合主要是通過缸蓋氣道的優化設計，提高進氣滾流來實現的[3-4]。但由于氣道滾流與流量系數本身在缸蓋設計上存在矛盾，高滾流氣道通常流量系數較低，導致發動機充氣效率下降，從而影響輸出功率和轉矩。另外，缸內滾流不僅與氣道設計相關，發動機的轉速和負荷同樣對缸內滾流有重要影響，轉速越低、負荷越小，發動機缸內滾流越弱。這樣對于用戶使用占比較大的低速低負荷工況，僅靠氣道優化設計提升缸內滾流的效果有限[5]。

可變進氣滾流(variable charge tumble motion，VCTM)技術可實現改善低速低負荷的滾流和確保高轉速高負荷的充氣效率的較好平衡。通過在進氣歧管末端安裝可變進氣滾流閥，低速低負荷工況閥門開度較小，通過節流來提高氣流速度，強化滾流；高轉速高負荷時節流閥全開，確保發動機充足的進氣。本文中通過仿真分析，對可變進氣滾流裝置進行了設計優化，確定了最佳可變進氣滾流技術方案。通過試驗對采用可變進氣滾流技術的發動機的燃燒穩定性、油耗和排放進行了深入研究。

1 研究對象

本文中以一款1.5L增壓直噴汽油機為研究對象，其主要技術參數如表1所示。圖1為可變進氣滾流技術示意圖，滾流調節通過進氣歧管外端的節流閥轉動來實現。當節流閥處于位置A時，可在低速低負荷工況實現較強滾流，當節流閥處于位置B時，可確保發動機充足的進氣。

表1 發動機技術參數

圖1 可變進氣滾流技術示意圖

2 可變進氣滾流三維CFD仿真

針對1 200r/min，pmi＝0.3MPa的部分負荷工況進行了VCTM節流閥片的有效流通面積、安裝角度和形狀對缸內滾流和湍動能影響的仿真分析，主要從滾流和湍動能角度進行各方案的評估。

2.1 可變進氣滾流起燃工況三維CFD分析

本節主要圍繞起燃工況進行了3種狀態共計10種方案進行缸內流動對比分析，評估改善缸內滾流和湍動能的最佳方案。圖2為用于缸內流動分析的三維幾何結構和網格示意圖。

圖2 缸內流動分析3D及網格示意圖

2.1.1 不同可變進氣滾流閥片有效流通面積對比

進氣閥處的氣流速度是影響缸內滾流的一個重要因素，它與通過進氣道的有效流通面積相關。小的有效流通面積雖然能加快氣流速度，增強滾流，但也會限制進氣道的流量。然而，可變進氣滾流技術可靈活控制節流閥的開度來控制進氣道的有效流通面積。不同有效流通面積的方案如圖3所示，節流閥的開度固定在60°，模擬結果如圖4、圖5和表2所示?？梢钥闯?，隨著有效流通面積的減小，缸內滾流比和湍動能不斷增大。1/10有效流通面積方案是最佳的滾流提升方案。與原機相比，進氣沖程的峰值滾流增加了154%，湍動能也增加了4%。

圖3 閥片不同有效流通面積方案

圖4 閥片不同有效流通面積滾流比對比

圖5 閥片不同有效流通面積湍動能對比

表2 閥片不同有效流通面積滾流和湍動能對比

2.1.2 可變進氣滾流閥片不同轉角的對比

閥片轉角會對氣流的壁面導向作用有一定影響。因此對閥片不同轉角對滾流和湍動能的影響進行了研究。閥片的有效流通面積固定為1/10。圖6為可變進氣滾流技術閥片不同轉角方案。三維CFD仿真結果如圖7、圖8和表3所示?？梢钥闯?，轉角為60°時滾流比和湍流動能最好。與原機相比，峰值滾流和湍流動能提高了154%和4%。

圖6 可變進氣滾流閥片不同轉角的對比

圖7 閥片不同轉角的滾流比對比

圖8 閥片不同轉角下點火時刻湍動能對比

表3 閥片不同轉角下滾流比和湍動能對比

2.1.3 可變進氣滾流閥片不同形狀的研究

圖9 不同閥片形狀方案

本節在閥片有效流通面積為1/10、轉角為60°條件下對4種不同閥片形狀方案進行了研究。4種閥片形狀方案如圖9所示。三維CFD模擬表明，方案D以其獨特的凸起結構可以最大限度地提高氣流速度和減少流動分離，如圖10所示。與方案A相比，盡管第一個峰值起伏且相對較低，但第二峰值滾流比和湍動能仍然較高，如圖11、圖12和表4所示。從提高低速低負荷燃燒穩定性的角度來看，湍動能顯得更為重要。因此，方案D是改善缸內氣流運動和提升湍動能的最佳技術方案。后續的仿真和試驗均基于該方案進行。

圖10 1 200r/min，p mi＝0.3MPa工況流場對比

圖11 不同閥片形狀滾流比對比

圖12 不同閥片形狀湍動能對比

表4 不同閥片形狀滾流比和湍動能對比

2.2 部分負荷工況三維CFD分析

本節針對燃燒室濕壁和缸內油氣混合均勻性進行對比分析，結果表明采用可變進氣滾流技術油氣混合均勻性可提升27%。活塞頂濕壁和缸套濕壁比例降幅可達到74%和90%。詳見圖13、圖14和表5。

圖13 2 000r/min，p me＝0.2MPa點火位置缸內當量比分布對比

表5 2 000r/m in，p me＝0.2MPa燃油濕壁和油氣混合均勻性對比

圖14 2 000r/min，p me＝0.2MPa燃燒室和缸套濕壁分布對比

3 可變進氣滾流試驗

基于上述仿真研究，獲得了提升滾流和湍動能的最佳可變進氣滾流技術方案。本節針對發動機催化劑起燃工況和部分負荷工況進行了原機和采用最佳進氣滾流技術方案的發動機性能對比研究。圖15為原機與最佳可變進氣滾流技術進氣歧管方案對比圖。

圖15 原機與最佳可變進氣滾流技術進氣歧管方案對比

3.1 催化劑起燃工況研究

決定催化劑起燃能力最主要的因素為發動機在滿足燃燒穩定性要求下能否最大限度地推遲點火[6]。本部分主要通過試驗進行原機與可變進氣滾流技術對比測試。結果表明：采用可變進氣滾流技術，1 200r/min，pmi＝0.3MPa工況在平均指示壓力標準偏差σpmi為0.03MPa的條件下點火角可從原來的-7°CA BTDC 推遲至-22°CA BTDC；排氣熱流率從4.5kW/L增大到了7kW/L，增幅達到55%；HC比質量流率也從14g/(h·L)降低到了2g/(h·L)，降幅高達85%。

3.2 部分負荷工況研究

采用可變進氣滾流技術不但可以提升三元催化器起燃能力，而且在降低部分負荷工況油耗和排放方面有不同程度的效果。本文中圍繞2 000r/min，pme＝0.2MPa工況的油耗和排放進行試驗研究。結果表明，采用可變進氣滾流技術后發動機燃燒穩定性明顯提升，在σpmi同為0.015MPa的條件下，發動機對殘余廢氣的容忍程度從原來的10%提升到了30%。由于殘余廢氣的容忍能力提升，發動機可通過進氣相位提前增大殘余廢氣來降低泵氣損失。進氣相位可較原機提前45°CA，使泵氣損失降低17%，油耗降低4.3%。

由于油氣混合質量的提升和燃油濕壁量的降低，發動機有害氣體排放有不同程度的降低，其中CO，NOx和HC排放分別降低30%，25%和4%。燃燒方面，在相同的MBF50條件下，燃燒持續期縮短了3°CA。本文中主要對低速低負荷工況進行了相關研究，未涉及中高負荷工況。主要原因為隨著負荷的升高，泵氣損失本身就相對較小，因此采用可變進氣滾流技術降低泵氣損失的效果不大。

4 結論

本文中利用三維CFD分析和試驗測試等手段進行了可變進氣滾流技術研究。結果表明，可變進氣滾流閥片的有效流通面積、安裝角度和閥片形狀均對缸內滾流及湍動能有不同程度影響。仿真結果表明，閥片有效流通面積1/10、安裝角度60°和凸形閥片是提升滾流、改善湍動能的最佳方案，采用該方案還可有效減少直噴汽油機的濕壁。

臺架試驗表明，可變進氣滾流技術在改善發動機低速低負荷工況的燃燒穩定性、加快燃燒速度、降低部分負荷油耗和排放均有明顯的效果。試驗結果顯示：采用可變進氣滾流技術發動機在1 200r/min，pmi＝0.3MPa時催化劑起燃工況排氣熱流率從4.5增大到了7kW/L，增幅達到55%；HC質量流率也從14降低到了2g/(h·L)，降幅高達85%。由于采用可變進氣滾流后燃燒穩定性的改善和油氣混合均勻性的提升，發動機部分負荷工況油耗和排放也有一定程度降低，其中在2 000r/min，pme＝0.2MPa燃油消耗率降幅達到4.3%。

[1] HAN Z，WEAVER C，WOOLDRIDGE S.Development of a new light stratified-charge DISI combustion system for a family of engines with upfront CFD coupling with thermal and optical engine experiments[C].SAE Paper 2004-01-0545.

[2] WIRTH M，MAYERHOFER U，PIOCKW F，etal.Turbocharging the DIgasoline engine[C].SAE Paper 2000-01-0251.

[3] LANG O， GEIGER J， HABERMANN K， et al.Boosting and directInjection-synergies for future gasoline engines[C].SAE Paper 2005-01-1144.

[4] HANCOCK D，FRASER N，JEREMY M，et al.A new 3 cylinder 1.2l advanced downsizing technology demonstrator engine[C].SAE Paper 2008-01-0611.

[5] BANDELW，FRAIDLG K，KAPUSP E，etal.The turbocharged GDIengine：boosted synergies for high fuel economy plus ultra-low emission[C].SAE Paper 2006-01-1266.

A Study on the Effects of Variable Charge Tumble Motion Technology on the Fuel Consumption and Emissions of Turbocharged Direct Injection Engine

M a Wei， W ang Chunlong，Zhang Enyuan，Zhang Xiaoyan ＆ Liu Bin
Chongqing Changan Automobile Company Limited，Chongqing 300082

Simulation and experimental studies on variable charge tumble motion(VCTM)technique are conducted on a Changan's 1.5L turbocharged direct injection engine.The studymainly focuses on the condition of catalyst light-off andmeanwhile pays attention to the fuel consumption in steady-state part-load condition.The effects of different VCTM schemes on tumble ratio and turbulent kinetic energy in catalyst light-off condition and those on fuel-gasmixing quality and the surface wetting of combustion chamber in part-load condition are analyzed.Finally the optimum schemes in both catalyst light-off and steady-state part load conditions are obtained through electronic injection parameter optimization.Test results show that the adoption of VCTM technique can enhance combustion stability and reduce the fuel consumption and emission of engine.

turbocharged direct injection engine； variable charge tumblemotion； fuel consumption； em ission

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.10.003

?重慶市人才計劃新一代高效環保汽油機關鍵技術研究項目(cstc2014jcyjjq60001)資助。

原稿收到日期為2017年7月19日，修改稿收到日期為2017年8月24日。

馬為，工程師，E-mail：mawei＠ changan.com.cn。