大滾流氣道對PFI發(fā)動機(jī)性能影響的試驗研究

李東輝 趙錚 申景倩 關(guān)昊 薛文瑞

摘要： 進(jìn)氣道是發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的重要組成部分。增加進(jìn)氣道的滾流比，提高缸內(nèi)的湍動能，從而改善燃燒，進(jìn)而改善了發(fā)動機(jī)的性能。本文對一臺1.5L增壓氣道噴射發(fā)動機(jī)進(jìn)行了臺架試驗，獲得了采用大滾流氣道時發(fā)動機(jī)的性能狀況;同時基于大滾流氣道對比分析了配合原活塞和配合平頂活塞時發(fā)動機(jī)性能情況。試驗表明，在低速小負(fù)荷工況下，滾流比的提高，對發(fā)動機(jī)油耗改善不明顯;低速大負(fù)荷工況下，滾流比提高，改善了發(fā)動機(jī)的燃燒，降低了爆震傾向;在功率點(diǎn)附近的工況，滾流比的增大，導(dǎo)致燃燒相位滯后，油耗升高。

Abstract： Intake port is an important part of engine′s intake system. Increasing tumble ratio of intake port and turbulence in cylinder will optimize combustion and thus improve engine performance. A 1.5L turbo PFI engine is tested on the rig and there are some data about engine performance with high tumble intake port in the paper; At the same time， the engine performance is compared and analyzed with original piston or flat piston based on the high tumble intake port. The test show： there is no obvious improvement in fuel economy with high tumble ratio in low speed low load; the combustion is improved and knocking tendency is decreased with high tumble ratio in low speed high load; the combustion phase is retarded and fuel economy gets worse with high tumble ratio around 5600rpm working conditions.

關(guān)鍵詞： 大滾流進(jìn)氣道;湍動能;平頂活塞;滾流比

Key words： high tumble intake port;turbulence energy;flat piston;tumble ratio

中圖分類號：TK411+.24? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）19-0006-05

0? 引言

近年來，隨著全球能源危機(jī)和環(huán)保問題的日益嚴(yán)峻，改善燃油經(jīng)濟(jì)性，降低CO2和尾氣排放成為內(nèi)燃機(jī)行業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)。氣道噴射發(fā)動機(jī)本身混合非常均勻，燃燒更為穩(wěn)定，那么提升滾流比對于改善氣道噴射發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性有多大影響。本文通過對一臺1.5L增壓氣道發(fā)動機(jī)進(jìn)行大滾流試驗，研究增大滾流比對氣道噴射發(fā)動機(jī)的影響。

1? 試驗設(shè)備與方法

本研究分別在低負(fù)荷和高負(fù)荷下對1臺直列4缸、1.5L增壓氣道噴射汽油機(jī)進(jìn)行試驗。首先用原機(jī)的活塞配合原機(jī)的氣道對發(fā)動機(jī)進(jìn)行了性能摸底，之后研究了在原機(jī)基礎(chǔ)上更換大滾流氣道對發(fā)動機(jī)性能的影響，以及平頂活塞結(jié)合大滾流氣道對發(fā)動機(jī)性能的影響。發(fā)動機(jī)的具體參數(shù)見表1。

本研究采用開發(fā)用ECU，通過INCA標(biāo)定軟件實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)點(diǎn)火時刻、噴油時刻、進(jìn)氣門開啟時刻、噴油壓力等進(jìn)行控制。所有的試驗都在優(yōu)化后的最優(yōu)進(jìn)氣相位、點(diǎn)火時刻、噴油時刻、噴油壓力下進(jìn)行。臺架系統(tǒng)的搭建如圖1。

2? 試驗結(jié)果與分析

2.1 大滾流氣道對發(fā)動機(jī)性能的影響

試驗工況為額定功率點(diǎn)5600rpm（工況1）、低速外特性扭矩點(diǎn)2000rpm（工況2）及小負(fù)荷2000rpm_4bar（工況3）。圖2-圖4示出在工況1進(jìn)氣道平均滾流比由0.4提升至0.8后的功率、毛指示油耗率、AI50、毛指示熱效率的變化。在該工況下滾流比提升后，功率與原狀態(tài)一致，但毛指示燃油消耗率升高了4.51%，AI50對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角滯后了3.7°，毛指示熱效率降低了1.1%。

圖5-圖7示出在工況2進(jìn)氣道平均滾流比由0.4提升至0.8后的扭矩、毛指示油耗率、AI50、毛指示熱效率的變化。在該工況下滾流比提升后，扭矩與原狀態(tài)一致，毛指示燃油消耗率降低了1.72%，AI50對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前了0.9°，毛指示熱效率升高了0.5%。

圖8-圖9示出在工況3進(jìn)氣道平均滾流比由0.4提升至0.8后的毛指示油耗率、毛指示熱效率的變化。在該工況下滾流比提升后，毛指示油耗率降低了1.76%，毛指示熱效率升高了0.63%。

綜合以上分析可以看出，滾流比的增大，對于額定功率點(diǎn)并沒有好處，相反導(dǎo)致毛指示熱效率降低，燃燒相位滯后，毛指示油耗率升高;滾流比的增大，對于低速大負(fù)荷是有好處的，它可以加快燃燒速度，縮短燃燒相位，提高毛指示熱效率，減少爆震的傾向;對于部分負(fù)荷來講，增加滾流比可以改善部分負(fù)荷的毛指示油耗率及毛指示熱效率。

2.2 大滾流氣道結(jié)合平頂活塞對于發(fā)動機(jī)性能的影響

圖10-圖12示出在工況1滾流比增大結(jié)合平頂活塞后的功率、毛指示油耗率、AI50、毛指示熱效率的變化。在該工況下，功率與原狀態(tài)一致，但毛指示燃油消耗率升高了12.9%，AI50對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角滯后了5.1°，毛指示熱效率降低了2.9%。

圖13-圖15示出在工況2滾流比增大結(jié)合平頂活塞后的扭矩、毛指示油耗率、AI50、毛指示熱效率的變化。在該工況下，扭矩與原狀態(tài)一致，毛指示燃油消耗率降低了0.34%，AI50對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角提前了1°，毛指示熱效率提高了0.11%。

圖16-圖17示出在工況3滾流比增大結(jié)合平頂活塞后的毛指示油耗率、毛指示熱效率的變化。在該工況下，扭矩與原狀態(tài)一致，毛指示燃油消耗率升高了2.14%，毛指示熱效率降低了0.52%。

綜合以上分析可以看出，大滾流氣道+平頂活塞，同樣對額定功率點(diǎn)沒有好處，相反導(dǎo)致毛指示熱效率降低，燃燒相位滯后，指示油耗率升高;大滾流氣道+平頂活塞，對于低速大負(fù)荷是有好處的，它可以加快燃燒速度，縮短燃燒相位，提高毛指示熱效率;對于部分負(fù)荷來講，大滾流氣道+平頂活塞導(dǎo)致毛指示油耗率升高，毛指示熱效率降低。

3? 仿真模型建立及計算結(jié)果分析

3.1 仿真模型建立

為了分析高滾流氣道、平頂活塞對缸內(nèi)氣流運(yùn)動的影響。根據(jù)發(fā)動機(jī)建立如圖18所示三維分析模型，重點(diǎn)分析發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣與壓縮沖程，從缸內(nèi)氣流狀態(tài)分析進(jìn)氣與壓縮沖程與燃燒特性變化間的必然聯(lián)系。

3.2 進(jìn)氣與壓縮沖程氣流瞬態(tài)結(jié)果分析

基于以上試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對工況一、工況二、工況三，進(jìn)行了三維CFD分析。

如圖19-圖20所示工況一（5600rpm）大滾流氣道與大滾流+平頂活塞的瞬時滾流比整體高于原狀態(tài)，但后期滾流衰減并沒有形成更高的湍動能，這可能是導(dǎo)致額定功率點(diǎn)燃燒沒有改善的原因。另外滾流比的提高會加快缸內(nèi)氣流運(yùn)動，從而導(dǎo)致混合氣溫度升高，爆震傾向變大，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)的性能。

如圖21-圖22所示工況二（2000rpm）大滾流氣道與大滾流+平頂活塞的瞬時滾流比整體高于原狀態(tài)，后期滾流衰減形成了更高的湍動能，進(jìn)而導(dǎo)致該工況下燃燒相位靠前，毛指示熱效率提升。

如圖23-圖24所示工況三（2000rpm_4bar）大滾流氣道與大滾流+平頂活塞的瞬時滾流比整體高于原狀態(tài)，后期滾流衰減形成了更高的湍動能，部分負(fù)荷不存在爆震的問題，湍動能的增大，加快了燃燒速度，燃燒相位過于靠前，導(dǎo)致等容度降低，熱效率降低，油耗升高。

4? 結(jié)論

①滾流比的提升對于額定功率點(diǎn)的燃燒無改善，反而導(dǎo)致爆震傾向加劇，燃燒相位滯后，熱效率降低。

②滾流比的提升對于低速外特性的燃燒有改善，可以減小爆震傾向，燃燒相位提前，熱效率提高。

③滾流比的提升對于部分負(fù)荷油耗的改善不明顯。

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