螺旋氣門的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及對無節(jié)氣門汽油機(jī)燃燒性能的影響*

韓 康，常英杰，謝宗法，房佩鴿，張晉群，張 坤

（1.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；2.山東大學(xué)，高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，濟(jì)南 250061）

前言

無節(jié)氣門汽油機(jī)采用可變氣門升程和可變氣門正時(shí)機(jī)構(gòu)取代節(jié)氣門，能顯著降低中小負(fù)荷時(shí)的泵氣損失［1］。通過實(shí)現(xiàn)米勒循環(huán)，抑制大負(fù)荷爆燃現(xiàn)象，使燃油消耗率顯著降低，并減少有害氣體排放［2］。無節(jié)氣門汽油機(jī)已成為當(dāng)前汽油機(jī)研究的重要方向，但其發(fā)展仍面臨著諸多問題。當(dāng)通過控制進(jìn)氣門升程和相位來控制進(jìn)氣量時(shí)，進(jìn)氣方式的變化會改變缸內(nèi)氣流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而對混合氣的形成及燃燒產(chǎn)生重要影響［3］。采用進(jìn)氣門早關(guān)（EIVC）方式時(shí)，隨著負(fù)荷的降低，進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻逐漸提前，進(jìn)氣門的最大升程降低，這會加快燃燒時(shí)缸內(nèi)湍流的衰減，使火焰?zhèn)鞑ニ俾首兟?］。尤其是對于氣道噴射汽油機(jī)，取消節(jié)氣門后，進(jìn)氣道內(nèi)負(fù)壓減小，從氣缸倒流回進(jìn)氣道的灼熱氣體也減少，使進(jìn)氣道內(nèi)的混合氣溫度降低，進(jìn)氣道和缸內(nèi)燃油蒸發(fā)及與空氣混合性能變差［5］，造成無節(jié)氣門汽油機(jī)中小負(fù)荷燃燒性能惡化，燃油經(jīng)濟(jì)性的改善達(dá)不到預(yù)期的水平。

汽油機(jī)通常采用增加滾流、擠流和進(jìn)氣渦流的方式改善油氣混合，提高火焰?zhèn)鞑ニ俾?，進(jìn)而改善燃燒性能［6］。由于氣門軸線傾斜布置，四氣門汽油機(jī)上滾流應(yīng)用較為廣泛，但渦流運(yùn)動(dòng)具有在壓縮沖程末期不消散的優(yōu)點(diǎn)［7］。Millo 等［8］設(shè)計(jì)了一種新型進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)，在FIAT 的MultiAir 系統(tǒng)上加裝導(dǎo)氣屏來增強(qiáng)進(jìn)氣滾流，進(jìn)而增強(qiáng)缸內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)改善燃燒。Battistoni 等［9］將相異升程技術(shù)應(yīng)用于無節(jié)氣門汽油機(jī)以提高其渦流和滾流運(yùn)動(dòng)。 寶馬VALVETRONIC［10］無節(jié)氣門汽油機(jī)采用相異氣門升程和導(dǎo)氣屏相結(jié)合的技術(shù)來提高怠速燃燒穩(wěn)定性。但這些措施對無節(jié)氣門汽油機(jī)在中小負(fù)荷時(shí)的進(jìn)氣和燃燒性能改善不大。

本課題組研制了一種全可變液壓氣門機(jī)構(gòu)（fully hydraulic variable valve system，F(xiàn)HVVS）［11］，該機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)氣門升程和配氣相位的連續(xù)可變。將FHVVS 機(jī)構(gòu)安裝在BJ486EQ 汽油機(jī)上，采用EIVC實(shí)現(xiàn)無節(jié)氣門的負(fù)荷控制方式，顯著降低了汽油機(jī)的泵氣損失。但是在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)氣道噴射式無節(jié)氣門汽油機(jī)在中小負(fù)荷時(shí)的循環(huán)變動(dòng)增大，燃燒性能明顯惡化［12］。為此，本文中提出了一種螺旋進(jìn)氣門，能在氣門開啟升程較小時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的進(jìn)氣渦流，來改善無節(jié)氣門汽油機(jī)中小負(fù)荷工況下的油氣混合和燃燒性能。通過對螺旋氣門建立三維模型，利用STAR-CCM+對螺旋氣門的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出了螺旋氣門的最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案。將優(yōu)化后的螺旋氣門安裝到BJ486EQ氣道噴射式無節(jié)氣門汽油機(jī)上進(jìn)行燃燒性能試驗(yàn)，對最大爆發(fā)壓力、燃燒循環(huán)變動(dòng)和放熱質(zhì)心（CA50）進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)螺旋氣門產(chǎn)生的進(jìn)氣渦流使無節(jié)氣門汽油機(jī)在小負(fù)荷工況時(shí)的燃燒性能得到明顯改善。

1 仿真模型建立與試驗(yàn)環(huán)境

1.1 螺旋氣門的結(jié)構(gòu)與工作原理

螺旋氣門是在傳統(tǒng)氣門的基礎(chǔ)上，在氣門盤的背面均勻設(shè)置多個(gè)彎曲方向一致的螺旋葉片，葉片上方設(shè)有導(dǎo)流罩。由葉片、導(dǎo)流罩和氣門盤形成螺旋槽，如圖1所示。

圖1 螺旋氣門的基本結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)進(jìn)氣門升程小于等于螺旋槽高度H 時(shí)，在氣門座圈和導(dǎo)流罩的限制下，進(jìn)氣氣流只能通過螺旋槽進(jìn)入氣缸，如圖1（a）所示。當(dāng)氣流進(jìn)入圖1（b）所示的螺旋槽后，形成沿螺旋槽具有切向速度τ 和法向速度n 的進(jìn)氣流線，在切向速度τ 的作用下，氣流能夠繞氣缸軸線流動(dòng)，形成進(jìn)氣渦流。其中，β 為葉片在氣流出口的螺旋角，反映了氣體從螺旋槽進(jìn)入氣缸的流動(dòng)方向；α 為導(dǎo)流罩截錐角，影響氣流在螺旋槽內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，如圖1（c）所示。

帶導(dǎo)氣屏的進(jìn)氣門和螺旋氣門均能夠產(chǎn)生進(jìn)氣渦流，但導(dǎo)氣屏式進(jìn)氣門必須帶有氣門防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，且容易產(chǎn)生偏磨。從圖1 可以看出，螺旋氣門是中心對稱結(jié)構(gòu)，不存在偏磨和增加氣門防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)，具有使用成本低、壽命長的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 仿真模型建立

采用Hypermesh 軟件對BJ486EQ 汽油機(jī)的單一氣缸創(chuàng)建模型，由入口穩(wěn)壓箱、進(jìn)氣道、缸蓋、氣缸和出口穩(wěn)壓箱組成，如圖2（a）所示。對模型進(jìn)行面網(wǎng)格劃分后導(dǎo)入STAR-CCM+軟件進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，采用多面體網(wǎng)格和網(wǎng)格重構(gòu)并添加局部網(wǎng)格細(xì)化，速度梯度越大的位置網(wǎng)格越小，如圖2（b）所示。進(jìn)氣流動(dòng)過程為三維、定常、理想氣體的分離流，能量方程采用分離流體溫度，湍流模型為K-Epsilon 兩方程模型；定義入口為滯止入口，壓力為大氣壓力；出口為負(fù)壓力出口，相對壓力為-2 500 Pa；自定義場函數(shù)，計(jì)算流量系數(shù)和渦流比。

圖2 總體模型和內(nèi)部網(wǎng)格

1.3 試驗(yàn)樣機(jī)與試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用無節(jié)氣門汽油機(jī)樣機(jī)是在BJ486EQ汽油機(jī)基礎(chǔ)上安裝全可變液壓氣門機(jī)構(gòu)（FHVVS）研制而成，圖3 為FHVVS 在氣缸蓋上的布置圖。為保持原氣缸蓋的通用性，F(xiàn)HVVS 設(shè)計(jì)方案取消了原機(jī)的進(jìn)氣凸輪軸，在原排氣凸輪軸上增設(shè)4 個(gè)進(jìn)氣凸輪，排氣凸輪則保持不變。在圖3 中，F(xiàn)HVVS 系統(tǒng)主要由前殼體和后殼體組成，前殼體和后殼體中分別安裝相對應(yīng)的氣門升程驅(qū)動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)。FHVVS 系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和工作原理參見文獻(xiàn)［11］。

FHVVS 系統(tǒng)采用EIVC 實(shí)現(xiàn)汽油機(jī)無節(jié)氣門負(fù)荷控制方式，該無節(jié)氣門汽油機(jī)的進(jìn)氣門提前角為21 °CA BTDC，進(jìn)氣門遲閉角在-201～65 °CA ABDC之內(nèi)連續(xù)可變，進(jìn)氣門最大升程在0～8.5 mm內(nèi)連續(xù)可變，排氣門升程與相位保持與原機(jī)相同。試驗(yàn)樣機(jī)和試驗(yàn)設(shè)備的具體信息參見文獻(xiàn)［11］和文獻(xiàn)［12］。

圖3 安裝FHVVS的氣缸蓋實(shí)拍圖

2 結(jié)果與分析

2.1 仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

在穩(wěn)流氣道試驗(yàn)臺上進(jìn)行進(jìn)氣流動(dòng)阻力和渦流強(qiáng)度試驗(yàn)。采用無量綱流量系數(shù)評價(jià)不同氣門升程下的進(jìn)氣流動(dòng)阻力特性，用無量綱渦流比來評價(jià)不同氣門升程下形成的進(jìn)氣渦流，本文中選用AVL 評價(jià)方法。流量系數(shù)CF和渦流比Ω的計(jì)算公式為

式中：Q 為試驗(yàn)測得的實(shí)際空氣質(zhì)量流量；A 為氣門座內(nèi)截面面積；ρ 為空氣密度為理論進(jìn)氣速度，其中Δp 為進(jìn)氣道壓力降；nd為葉片風(fēng)速儀所測轉(zhuǎn)速；n 為發(fā)動(dòng)機(jī)假想轉(zhuǎn)速，假定氣缸內(nèi)平均軸向速度與活塞平均速度相等的情況下計(jì)算得出。

通過STAR-CCM+對裝有螺旋氣門的氣缸模型進(jìn)行仿真計(jì)算，并將仿真結(jié)果與氣道穩(wěn)流試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，如圖4 所示?？梢钥闯?，進(jìn)氣渦流比的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，渦流比在氣門升程1和2 mm 處最大；當(dāng)氣門升程較大時(shí)，氣流大部分通過導(dǎo)流罩的上部空間進(jìn)入氣缸，進(jìn)氣渦流比逐漸降低。流量系數(shù)的仿真與試驗(yàn)結(jié)果雖有一定的誤差，但其變化趨勢一致。誤差是由螺旋氣門的加工制造精度、氣門升程試驗(yàn)控制精度和仿真模型中假定氣體不可壓縮和絕熱等因素造成。隨著氣門升程的提高，進(jìn)氣阻力逐漸減小，流量系數(shù)逐漸增大。

通過圖4 所示的仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該仿真計(jì)算模型基本反映了實(shí)際進(jìn)氣過程，可為螺旋氣門結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

圖4 渦流比和流量系數(shù)隨氣門升程的變化

2.2 螺旋氣門的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

為提高螺旋氣門的進(jìn)氣渦流并降低進(jìn)氣阻力，通過仿真計(jì)算對螺旋氣門的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)（導(dǎo)流罩截錐角α、葉片個(gè)數(shù)和葉片螺旋角β）進(jìn)行了優(yōu)化。螺旋氣門的設(shè)計(jì)目的是改善無節(jié)氣門汽油機(jī)在小負(fù)荷工況時(shí)的進(jìn)氣流動(dòng)狀態(tài)，由于小負(fù)荷工況時(shí)的進(jìn)氣門開啟升程較小，故螺旋氣門的螺旋槽高度通?？刂圃谶M(jìn)氣門最大升程的20%～30%左右。本文中設(shè)計(jì)的螺旋槽高度為2 mm，在仿真計(jì)算中主要分析討論氣門升程為1和2 mm時(shí)的進(jìn)氣流動(dòng)狀態(tài)。

2.2.1 導(dǎo)流罩截錐角α的影響

圖5 螺旋進(jìn)氣門相同截面處的氣體流速

圖5 為螺旋進(jìn)氣門升程在1 mm 時(shí)的氣體流速矢量圖。因氣門升程較小，氣體在進(jìn)氣門處的流動(dòng)狀態(tài)呈對稱形，故圖5 僅表示了氣門中心線左側(cè)的氣體流速矢量。圖5 為導(dǎo)流罩截錐角α 分別為15°、25°、35°和40°時(shí)的氣體流速，其中α 為15°時(shí)導(dǎo)流罩與氣門盤背面相互平行。同時(shí)，設(shè)置葉片螺旋角均為55°，葉片個(gè)數(shù)均為8 長8 短。圖中v1為螺旋槽入口的氣流速度，v2為螺旋槽出口的氣流速度。由圖5（a）和圖5（b）可以看出，當(dāng)α 較?。?5°和25°）時(shí)，v2＜v1，說明氣流在螺旋槽內(nèi)是降速流動(dòng)，流動(dòng)阻力主要在螺旋槽入口；當(dāng)α較大（35°和40°）時(shí)，v2>v1，說明氣流在螺旋槽內(nèi)是加速流動(dòng)，流動(dòng)阻力主要在螺旋槽的出口處。為提高螺旋氣門的進(jìn)氣渦流，應(yīng)使氣流在螺旋槽內(nèi)加速流動(dòng)。

圖6為進(jìn)氣門升程為1和2 mm 時(shí)螺旋氣門的渦流比和流量系數(shù)隨導(dǎo)流罩截錐角α的變化趨勢?？梢钥闯?，隨著α的增大，流量系數(shù)和渦流比均增大，但當(dāng)α增大到35°左右時(shí)，渦流比和流量系數(shù)的增量變緩。因此，本文采用導(dǎo)流罩截錐角α為35°作為最優(yōu)方案。

圖6 渦流比和流量系數(shù)隨導(dǎo)流罩截錐角的變化

2.2.2 螺旋葉片數(shù)量與長度的影響

設(shè)置葉片數(shù)量分別為6 片、8 片、12 片和16 片4種方案，導(dǎo)流罩截錐角α 為35°，葉片螺旋角β 為55°，仿真結(jié)果如圖7 所示?？梢钥闯觯弘S著葉片數(shù)量增多，渦流比逐漸增大，但流量系數(shù)逐漸減小，且流量系數(shù)在升程2 mm 時(shí)比1 mm 時(shí)下降大；當(dāng)葉片數(shù)量為16片時(shí)，渦流比最大，流量系數(shù)最小。

圖7 渦流比和流量系數(shù)隨葉片數(shù)量的變化

圖8 為氣門升程為2 mm，葉片數(shù)量分別為6 片、8 片、16 片和8 長8 短時(shí)，相同截面處的氣體流速矢量圖?？梢钥闯觯喝~片數(shù)為6 片和8 片時(shí)（見圖8（a）和圖8（b）），在葉片背面的區(qū)域A 和B處存在氣體渦旋現(xiàn)象，渦旋現(xiàn)象增大了氣流在螺旋槽的能量消耗和流動(dòng)阻力；葉片個(gè)數(shù)為16 片時(shí)（如圖8（c）），雖然無渦旋現(xiàn)象，但由于葉片數(shù)量的增多，導(dǎo)致局部流速過高，增加了流動(dòng)阻力，降低了流量系數(shù)。

圖8 葉片數(shù)量對氣體流速的影響

為改善上述方案的不足，將螺旋葉片設(shè)計(jì)成8個(gè)長葉片和8個(gè)短葉片間隔分布的結(jié)構(gòu)形式（簡稱8長8 短，如圖8（d）），其中短葉片長度為長葉片的1/2。由圖8（d）可以看出，在葉片入口處，首先由8 個(gè)長葉片改變氣流方向，隨后8 個(gè)短葉片再次改變氣體流動(dòng)方向，因此在螺旋通道內(nèi)氣流先后兩次改變方向，形成了比較均勻的流速分布，降低了流動(dòng)阻力。

圖9 示出葉片為8 長8 短和16 葉片兩種方案的流量系數(shù)和渦流比。可以看出，8長8短方案使流量系數(shù)和渦流比得到一定提高，故選取螺旋葉片為8長8短作為最優(yōu)方案。

2.2.3 葉片螺旋角β的影響

圖10 是在氣門升程2 mm 時(shí)，不同葉片螺旋角β作用下的流體速度圖?？梢钥闯觯弘S著β 的增大，氣流在螺旋槽內(nèi)的切向流速增大；同時(shí)，氣流速度隨β的增大而增大，導(dǎo)致氣體流通阻力增加。

圖9 葉片數(shù)量與長度對渦流比和流量系數(shù)的影響

圖10 螺旋角β對氣體流速的影響

螺旋氣門葉片螺旋角β 對進(jìn)氣渦流和流量系數(shù)的影響如圖11 所示。由圖可見：在進(jìn)氣門升程1 和2 mm 時(shí)，渦流比隨β 的增加而增大；在β 較小時(shí)，渦流比的增長率較大；當(dāng)β 較大時(shí)，渦流比的增長率降低；流量系數(shù)則隨著β 的增大呈直線下降趨勢，在氣門升程2 mm 時(shí)下降得更快。綜合考慮螺旋角β 對渦流比和流量系數(shù)的影響，取β為55°時(shí)比較合適。

圖11 渦流比和流量系數(shù)隨葉片螺旋角的變化

2.3 進(jìn)氣流動(dòng)過程及進(jìn)氣渦流

與傳統(tǒng)節(jié)氣門汽油機(jī)相比，無節(jié)氣門汽油機(jī)通過控制進(jìn)氣門升程和配氣相位調(diào)節(jié)負(fù)荷，使進(jìn)氣方式發(fā)生了巨大變化，從而對氣道噴射式汽油機(jī)的汽油蒸發(fā)、混合和缸內(nèi)氣體流動(dòng)產(chǎn)生重大影響。

隨著節(jié)氣門的取消，無節(jié)氣門汽油機(jī)在氣門疊開角內(nèi)倒流回進(jìn)氣道的高溫廢氣質(zhì)量大幅度減少、氣缸內(nèi)的負(fù)壓持續(xù)時(shí)間縮短，使得氣道噴射式汽油機(jī)燃油蒸發(fā)與混合的能力明顯降低［12-13］。文獻(xiàn)［14］中指出：發(fā)動(dòng)機(jī)混合氣形成所需的能量包括空氣能量和燃油能量。氣道噴射式汽油機(jī)在小負(fù)荷時(shí)由于缸內(nèi)廢氣回流量減少，導(dǎo)致空氣能量減小，因此需要額外增加空氣能量。由此可見，為改善無節(jié)氣門汽油機(jī)的燃油蒸發(fā)霧化，需要增加缸內(nèi)氣體流動(dòng)。螺旋氣門能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的進(jìn)氣渦流，增大了空氣能量，必然促進(jìn)氣道噴射式汽油機(jī)的汽油蒸發(fā)和混合。

圖12 為方案1、方案2 和原機(jī)氣門在穩(wěn)流氣道試驗(yàn)臺上所測得的渦流比和流量系數(shù)曲線。螺旋氣門優(yōu)化前（方案1）采用導(dǎo)流罩截錐角15°，葉片螺旋角45°，6 個(gè)長葉片的設(shè)計(jì)方案；螺旋氣門優(yōu)化后（方案2）采用導(dǎo)流罩截錐角35°，葉片螺旋角55°，葉片8長8短的設(shè)計(jì)方案。由圖可知，方案1和方案2在1～3 mm 升程時(shí)渦流比原機(jī)方案有顯著的提高，且方案2 在方案1 的基礎(chǔ)上也有較大的提升。由于無節(jié)氣門汽油機(jī)在小負(fù)荷時(shí)的氣門升程較小，螺旋氣門能夠顯著改善其缸內(nèi)氣體流動(dòng)并促進(jìn)油氣混合。此外，由于進(jìn)氣渦流可持續(xù)到壓縮上止點(diǎn)，因而可加快無節(jié)氣門汽油機(jī)在小負(fù)荷工況時(shí)的燃燒速率，改善其燃燒性能。當(dāng)無節(jié)氣門汽油機(jī)處于大負(fù)荷工況時(shí)，氣門升程較大，此時(shí)氣流主要通過導(dǎo)流罩上部空間進(jìn)入氣缸，因此方案1和方案2的渦流比曲線隨著氣門升程增加逐漸向原機(jī)氣門渦流比曲線靠近，說明螺旋氣門對無節(jié)氣門汽油機(jī)的影響主要集中在小負(fù)荷，在大負(fù)荷時(shí)影響相對較小。從圖中還可看出，與原機(jī)方案相比，方案1和方案2的流量系數(shù)有所降低，這會影響無節(jié)氣門汽油機(jī)大負(fù)荷時(shí)的充氣效率，可通過適當(dāng)增大進(jìn)氣門最大升程的方法予以補(bǔ)償。

圖12 3種氣門的渦流比和流量系數(shù)對比

2.4 螺旋氣門對燃燒性能的影響

為驗(yàn)證螺旋氣門產(chǎn)生的進(jìn)氣渦流對無節(jié)氣門汽油機(jī)中小負(fù)荷燃燒性能的影響，項(xiàng)目組對原機(jī)氣門和螺旋氣門的燃燒性能進(jìn)行了試驗(yàn)。圖13 為轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，BMEP 為0.189 MPa 工況時(shí)，實(shí)測缸內(nèi)壓力曲線和放熱率曲線。由圖可知：方案1 使無節(jié)氣門汽油機(jī)最大爆發(fā)壓力由1.09 提高至1.45 MPa，方案2 提高至1.72 MPa；方案1 最大爆發(fā)壓力對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角由18.65前移至16.4°CA ATDC，方案2 則前移至12.42 °CA ATDC，處于理論推薦值10～15 °CA ATDC 之內(nèi)；同時(shí)，方案2 使最大放熱率由8.01 提高至13.26 J/°CA，后燃現(xiàn)象明顯降低，使燃燒性能有明顯的改善。

圖13 進(jìn)氣渦流對小負(fù)荷的缸壓和放熱率的影響

圖14 燃燒質(zhì)心隨循環(huán)數(shù)的變化

圖14 為螺旋氣門方案和原機(jī)氣門方案的燃燒質(zhì)心CA50隨循環(huán)數(shù)的變化，原機(jī)氣門方案的燃燒質(zhì)心CA50分布區(qū)間較為分散，其平均值（圖中水平線）為26.14°CA ATDC。方案1 中CA50 的分布已經(jīng)比較集中，平均值為11.64 °CA ATDC；而方案2 的CA50 分布更為密集，平均值為6.71 °CA ATDC，處于最佳推薦值5～10 °CA ATDC 區(qū)間。這進(jìn)一步說明，螺旋氣門產(chǎn)生的進(jìn)氣渦流明顯加快了無節(jié)氣門汽油機(jī)在中小負(fù)荷的燃燒速率。

圖15 為轉(zhuǎn)速2 000 r/min，BMEP 為0.189 MPa工況下平均指示壓力IMEP 與最大燃燒壓力pz的分布圖，采樣循環(huán)數(shù)為120 個(gè)?？梢钥闯?，由于混合氣分布不均，導(dǎo)致原機(jī)氣門方案循環(huán)波動(dòng)較大以致出現(xiàn)失火循環(huán)。原機(jī)氣門方案最大燃燒壓力的循環(huán)波動(dòng)COVpz為18.1%，平均指示壓力的循環(huán)波動(dòng)COVIMEP為7.85%；方 案1 的COVpz降 為13.04%，COVIMEP降為3.3%；方案2 的COVpz降低為11.8%，COVIMEP僅為3.16%。螺旋氣門產(chǎn)生的進(jìn)氣渦流促進(jìn)了缸內(nèi)燃油的蒸發(fā)和混合，明顯改善了小負(fù)荷工況時(shí)的燃燒循環(huán)波動(dòng)。

圖15 螺旋氣門和原機(jī)氣門的IMEP分布對比圖

圖16 轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)兩種方案氣門負(fù)荷特性對比

圖16 為無節(jié)氣門汽油機(jī)在2 000 r/min 時(shí)的負(fù)荷特性曲線。可以看出：與原機(jī)氣門方案相比，方案2 在小負(fù)荷工況點(diǎn)的油耗率得到明顯改善，BMEP 為0.189 MPa 時(shí)的油耗降低了9.14%。隨著負(fù)荷的增大，一方面壓縮行程終點(diǎn)缸內(nèi)的壓力和溫度得到提高，燃燒條件得到改善；另一方面，隨著氣門升程的增大螺旋氣門產(chǎn)生的進(jìn)氣渦流逐漸降低，最終導(dǎo)致螺旋氣門方案的燃油耗逐漸接近原機(jī)氣門方案。因此，螺旋氣門產(chǎn)生的進(jìn)氣渦流對改善無節(jié)氣門汽油機(jī)小負(fù)荷工況時(shí)的燃燒性能更為明顯。

3 結(jié)論

（1）螺旋氣門在氣門盤背面設(shè)置中心對稱的螺旋通道，強(qiáng)制改變氣體流動(dòng)方向，雖然使進(jìn)氣流量系數(shù)有所降低，但能夠在氣門小升程時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的進(jìn)氣渦流。

（2）螺旋氣門的導(dǎo)流罩截錐角、葉片螺旋角和葉片數(shù)量與長度對進(jìn)氣渦流和流量系數(shù)有重要影響，仿真計(jì)算表明導(dǎo)流罩截錐角為35°、葉片螺旋角為55°、葉片為8長8短結(jié)構(gòu)時(shí)的設(shè)計(jì)方案較為合適。

（3）螺旋氣門在1～3 mm的小升程時(shí)能產(chǎn)生較強(qiáng)的進(jìn)氣渦流，顯著改善了缸內(nèi)的氣體流動(dòng)狀態(tài)，對改善無節(jié)氣門汽油機(jī)小負(fù)荷時(shí)的燃油蒸發(fā)和油氣混合十分有利。

（4）試驗(yàn)表明，螺旋氣門產(chǎn)生的進(jìn)氣渦流提高了無節(jié)氣門汽油機(jī)在小負(fù)荷工況下的燃燒速率，降低了循環(huán)波動(dòng)，使燃油經(jīng)濟(jì)性能得到明顯的改善。