氣道內(nèi)噴射壓縮空氣以改變缸內(nèi)渦流強(qiáng)度的研究

李偉牛薪淳杜宏飛佟靜峰張彧寧

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

氣道內(nèi)噴射壓縮空氣以改變缸內(nèi)渦流強(qiáng)度的研究

李偉牛薪淳杜宏飛佟靜峰張彧寧

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心）

以某款柴油機(jī)缸蓋進(jìn)氣道為研究對象，在穩(wěn)流氣道試驗(yàn)臺上將一定壓力的壓縮空氣噴入缸蓋進(jìn)氣道，測量進(jìn)氣道入口不同截面噴射位置缸內(nèi)的渦流強(qiáng)度。并將此裝置應(yīng)用在單缸機(jī)上，借助缸內(nèi)高溫內(nèi)窺鏡技術(shù)研究不同渦流強(qiáng)度下對缸內(nèi)燃燒過程的影響。結(jié)果表明，螺旋進(jìn)氣道噴射位置的變化對缸內(nèi)渦流影響不敏感，而切向進(jìn)氣道不同入口位置的流速變化對缸內(nèi)渦流強(qiáng)度影響顯著。

1 前言

直噴柴油機(jī)缸內(nèi)渦流強(qiáng)度的控制對于降低排放、提高動力性有十分必要的作用[1]。由于柴油機(jī)實(shí)際工作過程中缸內(nèi)的空氣運(yùn)動是瞬態(tài)的，而且氣流變化極其復(fù)雜，目前還沒有有效的方法和手段進(jìn)行定量測量。為滿足柴油機(jī)的性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)師們一直在進(jìn)行改變進(jìn)氣渦流強(qiáng)度的研究，以求在所有轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均可使空氣和燃油的混合處于最佳狀態(tài)，以改善燃油消耗和排放[2]。如果能夠通過某種方法實(shí)現(xiàn)任意改變渦流比，則對于某一特定的燃燒室和噴油系統(tǒng)，針對不同排放或經(jīng)濟(jì)性要求，就會對應(yīng)有一個最佳的渦流比，在進(jìn)行新機(jī)型開發(fā)時就可以根據(jù)設(shè)計(jì)的燃燒室方案較快地確定進(jìn)氣渦流強(qiáng)度。

2 渦流比定義

采用通過向進(jìn)氣道內(nèi)噴射高壓空氣的方法來研究缸內(nèi)渦流強(qiáng)度的變化。噴射氣流會增加缸內(nèi)總的進(jìn)氣量，而缸內(nèi)空氣運(yùn)動強(qiáng)度又與進(jìn)氣流量有關(guān)。通常情況下，在穩(wěn)態(tài)進(jìn)氣道試驗(yàn)中是通過測量缸內(nèi)空氣旋轉(zhuǎn)扭矩來計(jì)算渦流比的，因此計(jì)算渦流比的公式中包含有進(jìn)氣流量這一參數(shù)。為了消除進(jìn)氣流量對渦流比計(jì)算的影響，需要對渦流比計(jì)算公式進(jìn)行換算。

根據(jù)Thien G.E.和Pischinger F.推導(dǎo)出的氣道穩(wěn)流渦流比的計(jì)算公式[3，4]如下：

式中，M為缸內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)扭矩；S為發(fā)動機(jī)行程；Q為進(jìn)氣體積流量；ρ為空氣密度。

缸內(nèi)進(jìn)氣速度矢量分布如圖1所示。

從圖1可以看出，由進(jìn)氣道進(jìn)入缸內(nèi)的氣流旋轉(zhuǎn)向下流動，主流速度v可以分解為沿軸向方向的速度vA和沿切向方向的速度vT，速度vT與主速度v之間的夾角為α。由此可以得到軸向速度vA與切向速度vT之間的關(guān)系：

而缸內(nèi)空氣旋轉(zhuǎn)扭矩的計(jì)算公式為：

式中，r為氣缸半徑。

流體力學(xué)中流動氣體的體積流量計(jì)算公式為：

將公式（2）～公式（4）代入公式（1）可以得出渦流比RS的另一種表示方式：

式中，B為氣缸直徑。

流量系數(shù)計(jì)算公式：

式中，Qreal是實(shí)際體積流量，m3/s；Qth是理論體積流量，m3/s。

從公式（5）中可以看出，對于某一確定的柴油機(jī)，缸徑B和行程S是定值，則該柴油機(jī)的缸內(nèi)渦流比只與切向氣流和主流氣流之間的夾角有關(guān)，即渦流比的計(jì)算與進(jìn)入缸內(nèi)的體積流量無關(guān)。如果改變氣流進(jìn)入缸內(nèi)的傾角，就可以改變渦流比。

改變氣流傾角的方法有2種，一種是改變進(jìn)氣道或進(jìn)氣門、進(jìn)氣座圈的形狀，從而使進(jìn)入缸內(nèi)的氣流傾角相應(yīng)改變；另一種是改變進(jìn)氣道流通截面上的速度分布，即通過改變進(jìn)氣道流通截面上某一區(qū)域處垂直于該截面的氣體流速，使流出氣門不同方位的流速發(fā)生改變，從而改變進(jìn)入氣缸內(nèi)氣流的傾角。

3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案是在進(jìn)氣道入口截面處加裝一個噴嘴，通過噴嘴向進(jìn)氣道內(nèi)噴入一定流速的高壓空氣。此外，可以通過改變噴嘴在氣道入口截面上的不同位置而改變進(jìn)氣道內(nèi)氣流的流向，從而得到缸內(nèi)不同強(qiáng)度的旋轉(zhuǎn)氣流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在缸內(nèi)由低到高多種不同渦流比方案的變化。

首先在穩(wěn)態(tài)氣道試驗(yàn)臺上進(jìn)行不同流速、不同噴嘴位置的缸內(nèi)渦流測量，確定不同渦流比對應(yīng)的壓縮空氣壓力（或空氣流速）及噴嘴位置之間的關(guān)系，為柴油機(jī)性能試驗(yàn)提供不同渦流比方案。然后在發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)臺上，針對某一特定形狀的燃燒室，通過不斷改變渦流強(qiáng)度，結(jié)合性能數(shù)據(jù)，找到適應(yīng)此燃燒室的最佳渦流強(qiáng)度。此時噴油系統(tǒng)的配置保持不變。

試驗(yàn)在一排量為8.6 L柴油機(jī)缸蓋上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置的布置和安裝如圖2所示。缸蓋上的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)為一個螺旋進(jìn)氣道和一個切向進(jìn)氣道，彼此獨(dú)立。另外，進(jìn)氣箱與缸蓋為一體設(shè)計(jì)，對安裝控制板和噴嘴十分有利。

將缸蓋進(jìn)氣箱外側(cè)銑出一個長方形通孔并用一塊有機(jī)玻璃板密封固定，同時在有機(jī)玻璃板上對應(yīng)每個進(jìn)氣道入口分別加工足夠大小的窗口。針對兩個進(jìn)氣道入口尺寸的不同而設(shè)計(jì)兩塊控制板，控制板上分別加工噴嘴固定孔，螺旋進(jìn)氣道對應(yīng)的控制板上布置8個固定噴嘴的螺栓孔，切向進(jìn)氣道對應(yīng)的控制板上布置6個固定噴嘴的螺栓孔，從而可以基本覆蓋進(jìn)氣道入口截面上的每個敏感位置。將控制板固定在有機(jī)玻璃板上，噴嘴固定在控制板相應(yīng)的孔上，噴嘴通過膠管與壓縮空氣連接，噴嘴內(nèi)徑為5 mm。還安裝有3通管件、壓力傳感器座和控制閥門，其中3通管件將壓縮空氣分成兩部分，可實(shí)現(xiàn)同時向兩個氣道噴入壓縮空氣；壓力傳感器座上安裝有壓力傳感器和顯示儀表，用于顯示管路內(nèi)的空氣壓力；通過改變控制閥門的開度來控制管路內(nèi)的空氣壓力，并維持穩(wěn)定。

4 穩(wěn)流試驗(yàn)測量

試驗(yàn)是在以該款柴油機(jī)缸蓋為基礎(chǔ)而改造的單缸機(jī)缸蓋上進(jìn)行的，與氣道測量相關(guān)的參數(shù)見表1。

表1 機(jī)型基本試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)壓差設(shè)定為4 kPa，氣門升程按2mm、4mm、6 mm、8 mm、10 mm、11 mm、12 mm、13 mm分別設(shè)定。壓縮空氣恒定壓力為0.77MPa，試驗(yàn)過程中所有方案下噴嘴前靜壓都保持在0.4 MPa，但在其中一個方案中進(jìn)行設(shè)定兩種靜壓（0.4 MPa、0.5 MPa）條件下的對比試驗(yàn)。

圖3是壓縮空氣噴嘴在兩個進(jìn)氣道入口截面處的位置和編號。首先進(jìn)行單噴嘴在各位置的試驗(yàn)，然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選出螺旋進(jìn)氣道入口截面上各位置中渦流比最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，再選出切向進(jìn)氣道入口截面上渦流比最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，以進(jìn)行交叉組合試驗(yàn)。

對原始缸蓋進(jìn)氣道的流通能力進(jìn)行測量，其渦流強(qiáng)度較高，渦流比Rs=2.19，流量系數(shù)Cf=0.307。將噴嘴分別單獨(dú)安裝在螺旋進(jìn)氣道入口和切向進(jìn)氣道入口截面各點(diǎn)，并向氣道內(nèi)噴入靜壓為0.4 MPa的壓縮空氣，流動穩(wěn)定后，記錄各個氣門升程時的流量系數(shù)和渦流比。不同噴嘴位置流量系數(shù)和渦流比測量結(jié)果如圖4和圖5所示。

從圖5中可以看出，安裝噴嘴后渦流比的變化較明顯，#1～#8安裝在螺旋進(jìn)氣道上，其中#8渦流比最低（Rs=1.643），與原機(jī)相比降低幅度為24.98%；#9～#14安裝在切向進(jìn)氣道上，各點(diǎn)渦流比增加明顯，其中#14渦流比最高（Rs=2.521），與原機(jī)相比提高了15.11%。

根據(jù)氣道穩(wěn)流試驗(yàn)結(jié)果選擇4個不同渦流強(qiáng)度的方案，在單缸機(jī)上利用內(nèi)窺鏡光學(xué)測量系統(tǒng)研究不同渦流強(qiáng)度下缸內(nèi)燃燒狀態(tài)的變化。最終選擇的點(diǎn)為#6、#8、#11和#14。因?yàn)閱胃讬C(jī)試驗(yàn)臺上能實(shí)現(xiàn)的增壓壓力范圍在0.12～0.16 MPa之間，因此在穩(wěn)流試驗(yàn)臺上分別測量4個點(diǎn)在噴射壓力為0.12 MPa、0.14 MPa和0.16 MPa時缸內(nèi)流通能力和渦流強(qiáng)度的變化，結(jié)果如圖6和圖7所示。

從圖6和圖7中可以看出，噴射壓力的變化對進(jìn)氣流量系數(shù)和渦流比的影響很小，完全可以忽略不計(jì)，因此根據(jù)0.4 MPa進(jìn)氣壓力下選擇的4個點(diǎn)完全具有代表性。

5 單缸機(jī)燃燒光學(xué)測量

該套試驗(yàn)裝置不但在穩(wěn)流試驗(yàn)臺上容易實(shí)現(xiàn)，在單缸機(jī)試驗(yàn)臺上也不需要任何調(diào)整即可進(jìn)行可變渦流的燃燒性能研究。試驗(yàn)過程中噴油參數(shù)、進(jìn)氣條件不變，只改變噴嘴所在位置，通過內(nèi)窺鏡光學(xué)測量系統(tǒng)研究不同渦流強(qiáng)度下對缸內(nèi)火焰擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)和排放物Soot、NOx生成的影響。選擇渦流比最?。≧s= 1.643）和最大（Rs=2.521）的兩個點(diǎn)（#8和#14）進(jìn)行對比試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)氣壓力為135 kPa，軌壓為65 MPa，單缸機(jī)燃燒試驗(yàn)兩種渦流比方案對比時不同放熱率對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角結(jié)果見表2。

表2 渦流比試驗(yàn)燃燒數(shù)據(jù)

從表2可以看出，相同爆發(fā)壓力條件下，不同渦流強(qiáng)度時的5%放熱、10%放熱、50%放熱和90%放熱對應(yīng)的持續(xù)期（換算成曲軸轉(zhuǎn)角）幾乎一致，說明渦流強(qiáng)度的變化對熱效率影響甚微。

圖8和圖9分別為Rs=1.643和Rs=2.521時缸內(nèi)火焰狀態(tài)。

從圖8和圖9不同渦流比下的影像數(shù)據(jù)可以看出，渦流比增大，燃燒始點(diǎn)、燃燒持續(xù)期基本不變，與熱力學(xué)數(shù)據(jù)基本吻合。兩種渦流比的影像數(shù)據(jù)中，在上止點(diǎn)后1°到上止點(diǎn)后8°的燃燒階段，可明顯觀察到左側(cè)和右側(cè)的兩束火焰均向左方移動。隨著渦流比增大，火焰隨著渦流方向移動，改變了火焰形態(tài)的發(fā)展，也影響了缸內(nèi)不同區(qū)域溫度的分布形態(tài)[5]。

6 結(jié)束語

穩(wěn)流氣道試驗(yàn)證明，通過向進(jìn)氣道內(nèi)噴入一定壓力的壓縮空氣，只需改變噴嘴的安裝位置即可在一定范圍內(nèi)獲得多種強(qiáng)度的缸內(nèi)渦流比。

從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，螺旋進(jìn)氣道入口截面上各點(diǎn)進(jìn)氣流速發(fā)生變化對缸內(nèi)渦流強(qiáng)度變化的影響不明顯，而切向進(jìn)氣道入口截面上進(jìn)氣流速的變化對缸內(nèi)渦流強(qiáng)度的影響十分明顯，說明切向進(jìn)氣道主要以氣流流動方向來控制缸內(nèi)渦流強(qiáng)度。

不同渦流強(qiáng)度對燃燒始點(diǎn)、燃燒持續(xù)期影響甚微，但會顯著改變缸內(nèi)火焰的分布與形態(tài)發(fā)展，同時也對缸內(nèi)溫度場的分布狀態(tài)產(chǎn)生影響。

1Jun-ichi Kawashima，Hiroshi Ogawa，Yoshiyuki Tsuru.Research on a Variable Swirl Intake Port for 4-Valve High-Speed DI Diesel Engines.SAE 982680.

2Takahashi H.應(yīng)用變渦流系統(tǒng)改善柴油機(jī)性能.SAE871618.

3Thien G E.Description of Measuring Methods for the Investigation of Stationary Flow Properties at valve Ports and Statements for the Evaluation of the Measurement Results.AVL.

4Pischinger F.Development Work on a Combustion System for Vehicle Diesel Engines.FISITA Congress，1962.

5牛薪淳.柴油單缸機(jī)燃燒過程的可視化研究：[碩士論文].長春：吉林大學(xué)，2012.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2013年10月15日。

Research on Compressed Air Injecting into Intake Ports to Change Swirl Intensity In-cylinder

Li Wei，Niu Xinchun，Du Hongfei，Tong Jingfeng，Zhang Yuning
（China FAW Co.，Ltd R&D Center）

Taking cylinder head intake port of a diesel engine as the research object，we inject compressed air into the intake port on a steady flow test bench，to measure the swirl intensity in-cylinder which is changed by different injector's position at inlet entrance section.Using this device on a single-cylinder engine，and make use of the endoscopic lens to investigate the influence of different swirl intensity on the combustion process in cylinder.The results show that the in-cylinder swirl is affected slightly by the changes of injector location of helical intake port，whereas swirl intensity is affected significantly by the changes of flow rate at different entrance of tangential intake port.

Diesel engine,Intake port,Compressed air,Variable swirl

柴油機(jī)進(jìn)氣道壓縮空氣可變渦流

U464

：A文獻(xiàn)標(biāo)識碼：1000-3703（2014）02-0024-04