車輛引擎導(dǎo)流裝置優(yōu)化及性能分析

萬(wàn)雨欣，王 睿，趙大柱，閔可欣，汪獻(xiàn)偉

（江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

傳統(tǒng)自吸式發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳輸平穩(wěn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，不會(huì)造成突然的速度改變，而且發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命較長(zhǎng)，維護(hù)方便。但自吸式發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車節(jié)氣門開合度較小的時(shí)候動(dòng)力性能較差，節(jié)氣門的閥片呈圓形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不能使氣流形成渦流，因此不利于油氣充分混合。而氣缸內(nèi)燃油與空氣充分混合，不但可以改善燃燒效率、增強(qiáng)汽車動(dòng)力，而且還能達(dá)到節(jié)能減排的目的。因此，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、提高燃燒效率，通常對(duì)傳統(tǒng)自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣方式進(jìn)行改進(jìn)。目前常用的方式有兩種，第一是渦輪增壓技術(shù)［1-4］，大多通過提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣氣流的壓力，增加氣缸的進(jìn)氣量，使得油氣充分混合，燃燒徹底，從而增強(qiáng)引擎動(dòng)力并降低污染物的排放。與傳統(tǒng)的自吸式發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較，搭配渦輪增壓技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)可以在不改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)尺寸的情況下，使發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和扭矩提高20%～50%。不過由于渦輪增壓裝置通常處于高速、高溫的工作環(huán)境，容易使機(jī)油在高溫下迅速氧化，時(shí)間稍長(zhǎng)就會(huì)產(chǎn)生油泥和積碳，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低的時(shí)候，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)排出的尾氣無法推動(dòng)排氣渦輪，這樣一來不但不會(huì)起到增大進(jìn)氣氣流壓力的作用，反而還會(huì)使排氣阻力增大，產(chǎn)生渦輪遲滯。渦輪增壓設(shè)備的成本較高，而且維修和保養(yǎng)的費(fèi)用也相對(duì)傳統(tǒng)自吸式發(fā)動(dòng)機(jī)更高。第二是導(dǎo)流裝置技術(shù)［5-8］，是在自吸式汽車節(jié)氣門體的進(jìn)氣管道中放置導(dǎo)流裝置，使氣流在導(dǎo)流裝置的作用下形成渦流，使油氣充分混合。

1 導(dǎo)流裝置的性能優(yōu)化

1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

談乃成等［9］設(shè)計(jì)的導(dǎo)流裝置是一塊安裝在氣缸頭與進(jìn)氣管連接處的圓形板件。主要依靠板上若干開孔的邊緣所連接的傾斜導(dǎo)流葉片。該導(dǎo)流葉片能伸入氣缸頭進(jìn)氣口，使內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣產(chǎn)生旋流，從而增大進(jìn)氣量。然而該導(dǎo)流裝置對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣氣流的阻礙作用較大，在發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門開度較小的情況下，導(dǎo)流葉片不能偏向進(jìn)氣通道底面，此時(shí)進(jìn)氣氣流較弱，不能增強(qiáng)渦流強(qiáng)度，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。丁年勝等［10］設(shè)計(jì)的導(dǎo)流裝置是安裝在進(jìn)氣口的一種被動(dòng)式進(jìn)氣渦輪裝置。該裝置的外部為空心圓柱筒狀結(jié)構(gòu)，在其內(nèi)部有三根導(dǎo)流支架均勻分布，連接中心軸。在另一端，中心軸均勻結(jié)合10 片渦輪葉片。正因?yàn)樵摐u輪的葉片方向與弧形曲線的方向一致，使得在氣道中產(chǎn)生的渦流增強(qiáng)，動(dòng)力增大，且其中機(jī)械可運(yùn)動(dòng)的部分會(huì)對(duì)氣道中的氣流產(chǎn)生阻力。歐文斌等［11］設(shè)計(jì)的導(dǎo)流裝置是由安裝在節(jié)氣門體與空濾之間的渦輪裝置和安裝節(jié)氣門體之后到氣缸蓋進(jìn)氣道之前的進(jìn)氣管路的導(dǎo)風(fēng)裝置組成，這款導(dǎo)流裝置與丁年勝等［10］設(shè)計(jì)的有些相似。其導(dǎo)風(fēng)裝置是中空?qǐng)A管，通過它吸入引擎內(nèi)的空氣，使進(jìn)氣氣流在中空管形成螺旋氣流，油氣充分混合，引擎充分燃燒。但其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。Levitz 等［12］設(shè)計(jì)的被動(dòng)式導(dǎo)流裝置安裝于節(jié)氣門后端，該裝置的葉片和板為整體無可運(yùn)動(dòng)部分，從氣流孔周邊向其中心延展，所以對(duì)氣流阻礙很小，從而可以增加進(jìn)氣渦流強(qiáng)度，但效果并不理想。北京中歆環(huán)保科技有限公司開發(fā)的采用蜂巢式結(jié)構(gòu)，見圖1，其主要原理是使氣體進(jìn)入引擎的氧分子密度加大，霧化程度提高，增加空氣與燃油的接觸面積，達(dá)到更理想的油氣混合比例。但是，上述蜂巢式引擎助燃裝置結(jié)構(gòu)采用的是內(nèi)環(huán)與外環(huán)的單層結(jié)構(gòu)，且軸體中空，不能形成收縮通道。

圖1 蜂窩式導(dǎo)流裝置

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本團(tuán)隊(duì)對(duì)傳統(tǒng)助燃裝置的扁平化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。本引擎助燃裝置主要包括第一、二、三、四導(dǎo)流環(huán)體，第一、二導(dǎo)流通孔，導(dǎo)流塊及導(dǎo)流板等。本裝置沿軸向方向置入引擎的進(jìn)氣管內(nèi)，且第I 導(dǎo)流部靠近進(jìn)氣管口。當(dāng)氣流通過時(shí)，在內(nèi)外導(dǎo)流通道的聯(lián)合作用下，氣流被加速，從而增加引擎單位時(shí)間的進(jìn)氣量。

圖2 導(dǎo)流裝置優(yōu)化結(jié)構(gòu)

1.2 配方優(yōu)化

本導(dǎo)流裝置由以鈰、銻、釹、釓等多元素為配方的稀土材料混合尼龍（加纖）注塑而成。根據(jù)稀土族元素的短波激光性質(zhì)以及光譜能級(jí)差異，不同的稀土元素配合物可造成短波速差動(dòng)力，產(chǎn)生短波能量。短波能量會(huì)激發(fā)空氣，其穿透能力使空氣處于較高的震蕩狀態(tài)，對(duì)氣流產(chǎn)生推進(jìn)作用，增加了引擎單位時(shí)間的進(jìn)氣量，使油和氣充分混合。此外，鈰的高度活性，能夠產(chǎn)生微爆效應(yīng)，從而促進(jìn)充分燃燒，增強(qiáng)引擎動(dòng)力。在加工本導(dǎo)流裝置時(shí)，首先稱取適量的PA6、CeO2，經(jīng)高速混合機(jī)混合均勻后，采用雙螺桿擠出機(jī)熔融擠出，經(jīng)冷卻、牽引、切粒得到不同CeO2用量的PA6/CeO2共混粒料。原料制成后，按照?qǐng)D3 工藝過程進(jìn)行生產(chǎn)。

圖3 導(dǎo)流裝置加工工藝

2 節(jié)能減排分析

2.1 油耗分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證此款車輛引擎導(dǎo)流裝置在提升燃油燃燒效率方面的效果，分別將3 種不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流裝置（分別適用于貨車、客車和私家車）安裝在一款排量為1.2 L 的直列四缸橫置式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行特性測(cè)試（最大功率為64 kW，最大扭矩114 N·m），得到發(fā)動(dòng)機(jī)在變轉(zhuǎn)速情況下的燃油消耗率，如圖4所示?？梢钥闯?，安裝導(dǎo)流裝置后，在提高同樣的有效功率時(shí)，裝置1 安裝后的燃油消耗率相較原先偏高，具體原因有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)分析研究。但是其他兩種裝置在安裝后，燃油消耗率呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。

圖4 安裝導(dǎo)流裝置前后的燃油消耗率對(duì)比

2.2 尾氣排放分析

本裝置中的氧化鈰，是提高熱值和減少污染物排放的主要原因。在富氧條件下，LaCeMn 和LaMn對(duì)NOx的還原效率差別很大，這表明加入氧化鈰，材料的活性有了明顯的提高。從化學(xué)層面分析，鈰元素是變價(jià)元素，即鈰元素的氧化物可以在三價(jià)和四價(jià)之間變換，如式（1）所示。這種特性使鈰元素在高溫狀態(tài)下具有儲(chǔ)存和釋放氧氣的作用。當(dāng)氣流中的氧氣含量不足時(shí)，鈰會(huì)從四價(jià)轉(zhuǎn)變?yōu)槿齼r(jià)，從而釋放出一部分晶格氧。反之，氣流中的氧氣含量過剩時(shí)，鈰會(huì)從三價(jià)變?yōu)樗膬r(jià)，吸收一部分氧。在富氧條件下，氧量過剩造成LaMn 對(duì)NOx的還原反應(yīng)困難，而鈰的變價(jià)性質(zhì)使它具有儲(chǔ)氧作用，將鈰添加到LaMn 中能夠產(chǎn)生一定的脫氧機(jī)制。該機(jī)制改變了對(duì)NOx還原反應(yīng)的反應(yīng)條件，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。在熱值相同的情況下，加入2%鈰助燃劑，可以使燃油的熱值提高10%～15%，從而減少CO、HC、NOx等污染物排放，同時(shí)可以更好地清潔積碳。

為了進(jìn)一步分析本裝置的減排效果，分別將本裝置安裝于別克、帕薩特、本田雅閣三款車型，并檢測(cè)安裝前后的尾氣濃度，見表1。由表1 可知本裝置減排效果明顯。

表1 減排效果檢測(cè)

3 空氣動(dòng)力學(xué)分析

此款導(dǎo)流裝置用于發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門體的后端，通過降低進(jìn)氣氣流進(jìn)入節(jié)氣門（開合度0～45 °）時(shí)的流量損失，從而提高渦流增壓強(qiáng)度。安裝導(dǎo)流裝置前后的跡線圖如圖5 所示，安裝前，大部分氣流流經(jīng)節(jié)氣門環(huán)隙后沿管壁流出，少部分氣流在閥片背后形成兩個(gè)回流。安裝后，閥片后近管壁的跡線明顯變得稀疏，管道軸心處的跡線明顯變得密集?？諝鈴拈y片流過后，在導(dǎo)流裝置的引導(dǎo)下旋轉(zhuǎn)著流出。這說明安裝本裝置后氣流分布更均勻，尤其是在節(jié)氣門開度較小的情況下。

圖5 安裝導(dǎo)流裝置前后的氣流對(duì)比

圖6 給出了安裝本裝置前后，節(jié)氣門出口的速度切向矢量。由圖6 可知，未安裝本裝置時(shí)，節(jié)氣門出口截面兩側(cè)氣流沿圓周方向的速度不同，越接近漩渦中心處切向速度越小。當(dāng)節(jié)氣門體開合度為45 °時(shí)，氣流會(huì)形成兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的漩渦。在進(jìn)氣氣流流動(dòng)時(shí)，這兩個(gè)對(duì)稱漩渦會(huì)導(dǎo)致切向速度相互抵平，氣流運(yùn)動(dòng)從而減慢。安裝本裝置后，氣流在出口截面切向?qū)?huì)形成一個(gè)規(guī)則的渦流，從截面中心到外壁附近的速度逐步增大。與安裝導(dǎo)流裝置前比較，此時(shí)的的切向速度相比更大。這表明安裝本裝置后，進(jìn)氣口氣流運(yùn)動(dòng)會(huì)變得更強(qiáng)，可以使燃油充分燃燒。

圖6 安裝導(dǎo)流裝置前后節(jié)氣門出口截面處的切向速度矢量圖

空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸體后，與燃油的混合程度會(huì)隨湍流強(qiáng)度大小而發(fā)生變化，因此適當(dāng)強(qiáng)化出口湍流強(qiáng)度，會(huì)有利于空氣與燃油更均勻地混合。圖7為安裝本導(dǎo)流裝置后，節(jié)氣門開度為5 °和45 °的湍流強(qiáng)度等值線云圖。由于節(jié)氣門安裝導(dǎo)流裝置前，其后端流場(chǎng)湍流強(qiáng)度已經(jīng)相當(dāng)?shù)土?，在安裝后出口處湍流強(qiáng)度減弱則更加明顯。在開度為10 °時(shí)，由于進(jìn)氣流量較小，單閥片式節(jié)氣門體不能有效使進(jìn)氣氣流形成規(guī)則渦流。從圖7 可以看到，安裝導(dǎo)流裝置后，當(dāng)節(jié)氣門開度為10 °或是45 °時(shí)，節(jié)氣門體后端湍流強(qiáng)度都得到顯著提高。

圖7 安裝導(dǎo)流裝置后的湍流強(qiáng)度

4 結(jié)論

車輛引擎的進(jìn)氣導(dǎo)流裝置是車輛燃油系統(tǒng)的關(guān)鍵元件之一。其工作狀態(tài)的好壞直接影響引擎的動(dòng)力性能、油耗、啟動(dòng)的加速性能、旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性及廢氣的排放。本團(tuán)隊(duì)對(duì)傳統(tǒng)導(dǎo)流裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和成分優(yōu)化，優(yōu)化后的導(dǎo)流裝置一是提高了單位時(shí)間引擎的進(jìn)氣量，促使氫氧分子組織細(xì)微化，增強(qiáng)扭力，提高引擎動(dòng)力；二是降低油耗，使燃油燃燒更加充分；三是保護(hù)環(huán)境，有效降低了CO、HC、NOX等污染物排放。