進(jìn)氣道對(duì)某增壓柴油機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究

喻昆，王云鵬，馬勇，高巧，杜柏超

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

進(jìn)氣道對(duì)某增壓柴油機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究

喻昆，王云鵬，馬勇，高巧，杜柏超

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

優(yōu)化了某增壓四缸柴油機(jī)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)，并在氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)和發(fā)動(dòng)機(jī)性能 試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：通過采用螺旋氣道和切向氣道的組合，進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)可以大幅度提高缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的渦流強(qiáng)度，同時(shí)略微增加其流量系數(shù)；增強(qiáng)缸內(nèi)渦流運(yùn)動(dòng)可以加速混合氣的混合速度，同時(shí)使混合氣混合更加均勻，提高了燃燒峰值放熱率。最終試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，優(yōu)化后的氣道方案可以實(shí)現(xiàn)NEDC循環(huán)排放關(guān)鍵權(quán)重點(diǎn)比油耗降低0.7%～8.8%。

柴油機(jī)；增壓器；進(jìn)氣道優(yōu)化；試驗(yàn)研究；渦流強(qiáng)度

CLC NO.:U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-150-04

前言

現(xiàn)代柴油機(jī)在進(jìn)氣過程中，氣缸的進(jìn)氣充量及氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響著缸內(nèi)過量空氣系數(shù)和油氣混合均勻程度，最終影響到柴油機(jī)的功率、燃油消耗和排放等性能指標(biāo)[1]。合理設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)可以改善其流通特性，實(shí)現(xiàn)渦流比和流量系數(shù)的合理配置，增強(qiáng)缸內(nèi)渦流強(qiáng)度，提高火焰?zhèn)鞑ニ俣群腿紵俾?，縮短燃燒持續(xù)期，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。本文中對(duì)某增壓柴油機(jī)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，通過氣道試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)后氣道性能的變化情況，并通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了進(jìn)氣道改進(jìn)前后對(duì)缸內(nèi)燃燒和動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的影響。

1 試驗(yàn)對(duì)象

1.1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為一款增壓柴油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)如下表1。

1.2 進(jìn)氣道的優(yōu)化改進(jìn)

（1）原始進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)說明

該柴油機(jī)原始進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)采用雙切向氣道，如圖1所示。通過CFD仿真計(jì)算獲得氣道微觀流場(chǎng)如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)該氣道結(jié)構(gòu)造成兩股氣流在缸孔中部區(qū)域相撞，難以形成穩(wěn)定的渦流。小氣門升程較高的渦流比完全依靠氣門偏心倒角引導(dǎo)與較小的流量系數(shù)獲得，進(jìn)而造成的較低流量系數(shù)。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)

圖1 原始進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)

圖2 原始進(jìn)氣道微觀流場(chǎng)

（2）改進(jìn)后進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)說明

改進(jìn)后進(jìn)氣道采用切向氣道+螺旋的氣道的組合氣道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。通過CFD仿真計(jì)算獲得氣道微觀流場(chǎng)如圖4所示，可以看到由于與螺旋氣道的組合，從切向氣道進(jìn)入的氣流在缸內(nèi)形成繞壁的大渦，從螺旋氣道進(jìn)入的氣流在局部形成小渦，二者旋向一致，形成穩(wěn)定的渦流并獲得較高流量系數(shù)。

圖3 改進(jìn)后進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)

圖4 改進(jìn)后進(jìn)氣道微觀流場(chǎng)

2 試驗(yàn)設(shè)備和方法

2.1 氣道穩(wěn)流對(duì)比試驗(yàn)

表2 氣道試驗(yàn)儀器及設(shè)備

通過氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試進(jìn)氣道改進(jìn)前后的渦流比和流量系數(shù)變化，采用葉片式風(fēng)速儀測(cè)量缸內(nèi)渦流的轉(zhuǎn)換。試驗(yàn)時(shí)將葉片風(fēng)速儀固定在同一位置不變，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集各氣門升程下的氣體流量、葉片轉(zhuǎn)速、缸內(nèi)壓差等參數(shù)，并利用AVL方法[2]計(jì)算得到渦流比和流量系數(shù)。

氣道試驗(yàn)儀器和設(shè)備如表2所示：

2.2 臺(tái)架性能對(duì)比試驗(yàn)

通過在發(fā)動(dòng)機(jī)性能臺(tái)架對(duì)分別裝有原始進(jìn)氣道和改進(jìn)后進(jìn)氣道缸蓋的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行性能對(duì)比試驗(yàn)。

臺(tái)架試驗(yàn)用主要儀器和設(shè)備如表2所示：

表3 臺(tái)架試驗(yàn)儀器及設(shè)備

試驗(yàn)對(duì)比方法如下：

（1）選擇2400rpm/110Nm工況點(diǎn)，基于相同的燃燒參數(shù)下，對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒放熱率。

（2）由于進(jìn)氣道的渦流比和流量系數(shù)變化會(huì)影響到柴油機(jī)的燃燒特性，為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)進(jìn)氣道改進(jìn)效果，對(duì)裝用改進(jìn)后進(jìn)氣道的發(fā)動(dòng)機(jī)以原始進(jìn)氣道的燃燒參數(shù)為基礎(chǔ)，通過DOE（Design of Experiment）的方法以增壓壓力、EGR率和噴油提前角為變量進(jìn)行排放掃點(diǎn)。以達(dá)到相同NOx/FSN排放指標(biāo)的前提下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗進(jìn)行對(duì)比分析。掃點(diǎn)工況根據(jù)整車NEDC循環(huán)工況計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的11個(gè)關(guān)鍵權(quán)重排放工況點(diǎn)。具體如下表所示：

圖5

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 氣道穩(wěn)流試驗(yàn)結(jié)果

圖6 氣道渦流強(qiáng)度對(duì)比

圖7 氣道流量系數(shù)對(duì)比

通過氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)分別對(duì)原始進(jìn)氣道和改進(jìn)后進(jìn)氣道進(jìn)行渦流強(qiáng)度和流量系數(shù)測(cè)試，氣道平均渦流比和平均流量系數(shù)如圖6和圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)進(jìn)氣道平均渦流比相對(duì)原始進(jìn)氣道增加64.3%，平均流量系數(shù)相對(duì)原始進(jìn)氣道增加6.3%。

3.2 臺(tái)架性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

（1）燃燒放熱率對(duì)比

選擇2400rpm/110Nm工況點(diǎn)，基于相同的燃燒參數(shù)下，分別測(cè)試裝有原始進(jìn)氣道和改進(jìn)進(jìn)氣道的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒放熱率。圖8為放熱率對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)表明：發(fā)動(dòng)機(jī)裝用改進(jìn)進(jìn)氣道后，燃燒放熱率相對(duì)原始進(jìn)氣道發(fā)動(dòng)機(jī)在上止點(diǎn)后15°左右明顯增加，這主要是因?yàn)楦倪M(jìn)進(jìn)氣道后缸內(nèi)渦流強(qiáng)度增加，加速混合氣的混合速度，同時(shí)使混合氣混合更加均勻，提高預(yù)混合燃燒階段的放熱率。燃燒放熱率的提高可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

圖8 放熱率對(duì)比

（2）經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)進(jìn)氣道改進(jìn)效果，對(duì)裝用改進(jìn)后進(jìn)氣道的發(fā)動(dòng)機(jī)以原始進(jìn)氣道的燃燒參數(shù)為基礎(chǔ)，通過DOE（Design of Experiment）的方法以增壓壓力、EGR率和噴油提前角為變量進(jìn)行排放掃點(diǎn)。以達(dá)到相同NOx/FSN排放指標(biāo)的前提下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗進(jìn)行對(duì)比分析。A工況點(diǎn)的DOE試驗(yàn)方案如表3所示，NOx/FSN選點(diǎn)對(duì)比如圖9所示，油耗測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖10所示。依此方法對(duì)其他11個(gè)NEDC循環(huán)關(guān)鍵權(quán)重排放工況點(diǎn)進(jìn)行DOE試驗(yàn)和掃點(diǎn)，并對(duì)油耗測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

表4 A工況點(diǎn)DOE試驗(yàn)方案

圖9 A工況點(diǎn)NOx/FSN選點(diǎn)

圖10 A工況點(diǎn)油耗選點(diǎn)

通過按照上述方法對(duì)12個(gè)工況點(diǎn)油耗進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果如圖11～圖22所示，可以看出總體降低比油耗0.7%～8.8%，在C、D、H三個(gè)工況點(diǎn)比油耗降低達(dá)到8%以上，其中H工況點(diǎn)比油耗降低達(dá)到8.8%。

圖11 A 工況點(diǎn)油耗對(duì)比

圖12 B工況點(diǎn)油耗對(duì)比

圖13 C工況點(diǎn)油耗對(duì)比

圖14 D工況點(diǎn)油耗對(duì)比

圖15 E工況點(diǎn)油耗對(duì)比

圖16 F工況點(diǎn)油耗對(duì)比

圖17 G工況點(diǎn)油耗對(duì)比

圖18 H工況點(diǎn)油耗對(duì)比

圖19 I工況點(diǎn)油耗對(duì)比

圖20 J工況點(diǎn)油耗對(duì)比

圖21 K工況點(diǎn)油耗對(duì)比

3 結(jié)論

（1）通過將該增壓器柴油機(jī)的的雙切向氣道改為螺旋氣道+切向氣道的進(jìn)氣氣道結(jié)夠，可以有效提升缸內(nèi)渦流強(qiáng)度和流量系數(shù)；

（2）通過增加缸內(nèi)渦流強(qiáng)度，可加速混合氣的混合速度，同時(shí)使混合氣混合更加均勻，提高預(yù)混合燃燒階段的放熱率。

（3）進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)改進(jìn)后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的NEDC排放關(guān)鍵權(quán)重點(diǎn)的油耗降低達(dá)到0.7%～8.8%。

[1] 周龍寶,劉忠長(zhǎng),高宗英.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京∶機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[2] 戶冬.氣道試驗(yàn)臺(tái)及4種評(píng)價(jià)方法介紹[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)),2010,24(12)∶123—126.

The Experimental Study of Intake Port On The Performance of a Turbocharged Diesel Engine

Yu Kun, Wang Yunpeng, Ma Yong, Gao Qiao, Du Baichao
( Anhui Jianghuai Automobile group Co,. Ltd, Anhui Hefei 230601 )

It optimizes the intake port structure of a turbocharged four cylinder diesel engine,and the related experimental research was carried out on steady flow test bench and engine performance test bench.The test results show that the Helical swirl port and Tangential directed port group intake port structure can improve the swirl intensity of air motion in cylinder,and also increase the flow coefficient.The swirl motion enhancement in cylinder can speed up mixture mixing speed and also make the mixture mixing evenly, and than increase the combustion peak heat release rate. the final test result show that reducing the fuel consumption rate of the key right emission point of NEDC about 0.7%～8.8%.

Diesel engine; Turbocharger; intake port optimization; experimental research swirl intensity

U467

A

1671-7988 (2017)13-150-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.052

喻昆，就職于江淮汽車技術(shù)中心。