进气涡流对汽油机燃烧的研究

进气涡流对汽油机燃烧的研究蒋宗业黄荣辉摘要：在发动机试验台上,研究了四气门汽油机在改变不同进气方式时燃烧室里产生不同缸内涡流,提出了进气涡流对发动机的燃烧组织的影响。并分析通过这改变缸内混合汽的涡流对发动机的动力性和燃油经济性等方面的研究，从而找出如何组织发动机的进气涡流以提高发动机的燃烧效果和热效率。关键词:进气涡流燃烧组织燃油经济性Abstract：InvestigationtheeffectedofintakeairpropertiesonCombustion，intakeairpropertiesisanimportantfactorinfluencingtheengineperformance.InvestigationintakeswirlsonGasolineenginecombustion,andtoimprovetheengine'scombustionefficiencybychangingtheinletswirl.Keywords:intakeairproperties;combustionorganization;fuelefficiency前言在现在现代汽油机研究中，对缸内气流运动的研究显得愈来愈重要，缸内气流运动对汽油机燃油混合和燃烧过程有重要影响,并进而影响到发动机的性能和排放水平,而发动机进气道的流动特性在很大程度决定缸内的气流运动状况。进气涡流可以促进汽油蒸发以及与空气的均匀混合，加快混合气的燃烧速度，提高燃烧效率。在四气门汽油机发动机上可以采用PDA控制阀系统，可根据发动机在不同转速和负荷，采用不同的进气方式去改善发动机的缸内混合汽涡流状态，从而改善海誓山盟油机的燃烧效果。四气门汽油机进气孔纵向分为两个通道（如图一），利用PDA控制阀安装在发动机的进气歧管内，由进气歧管负压和ECU控制PDA打开或关闭，以达到改变进气歧管进气方式。当PDA需要打开时，PDA执行器将进气歧管中的两个通往进气门的两个进气口中的一个堵住，进气通道由原来的两个变成了一个。通过改变这种进气方式，使进入气缸的混合汽在进气口变小而速度变大，从而形成较大涡流，使进入燃烧室里的混合汽混合更充分，燃烧更加迅速。当发动机负荷增大或高于某一转速运转时，由于需要进入气缸内的空气量增大，ECU根据此时发动机的转速和节油门踏板等信号将发出指令让PDA关闭，此时进气道里又是两个通道一起工作，提高进气效率，从而满足发动机输出大功率的要求。've$N8l(Y6{,}图1四气门汽油机进气歧管1、试验方案在发动机试验台架上进行，试验对象为一台直列式4缸1.2L四气门电喷汽油机，试验是通过采用两种不同的进气方式，在发动机输出同样的扭矩时通过采用两种不同进气方式时测量发动机的进气量，油耗以及发动机相同转速和相等进气量时测量发动机的点火提前角等。从两种不同进气方式南昌测量出的结果去分析发动机在不同进气方式（即进气涡流强度不一样时）发动机的燃烧情况以及发动机的性能方面的影响。根据四气门进气发动机平均进气终了滚流不均匀度比tN为：tqttQVnN30式中tn--进气门的气体流动速度m/sqV--发动机气缸排量3mθ1，θ2--分别为进气门开启和进气门关闭对应的曲轴角度CA0tQ--通过进气道进入气缸的气体体积3m可以得到进入气缸内的气体涡流系数tR为：dddzNRtt221])([2sin4sin21)(ddzr—曲轴半径mLrL—连杆长度m从以上公式可以看出，进入进气歧管内的气体滚动强度主要与气体的流动速度有关。如果假设从进气门打开到进气门关闭之间进入气缸的气体是匀速流入，即tN是一个常数，并且发动机转速和进入气缸的气体质量一定时，则公式（2）可简化为：tR=k*tn其中k为常数，即气缸内气体涡流强度仅与进入气缸的气体流速有关。根据流入气缸公式tQ=tn*s*t(其中s为进气歧管中最小地方的面积，t为进气门从开启到关闭的时间)，可知进入气缸气体的最大流速与进气口的面积成反比。所以，当发动机转速固定时，并且进气量相同时在PDA打开时进入气缸内的混合气将比PDA关闭时产生的进气涡流要大2倍左右。此时的进气涡流将会对发动机的燃烧有较大的影响。2、试验结果分析以下为B121.XM150发动在实际试验中当PDA打开和关闭时的结果，从表1中可以看出当输出相同的扭矩时在PDAON状态比PDAOFF状态需要的进气量少，在1200rp当输出扭矩为19.3N时，PDAON进气量为95.5mg/str，而PDAOFF需要的进气量却达到了107mg/str。但随着扭矩的增大两者的差距逐渐减小，在1200rpm时，当扭矩在80N时PDAON需要的进气量为278mg/str，而PDAOFF需要的进气量为277mg/str，比PDAON需要的进气量要少。由于发出同样的扭矩时发动机需要的进气量减少了，发动机的燃油消耗会跟着降低，这直接提高了发动机的燃油经济性。表1PDA开和关时输出同样的扭矩需要的进气量另外从点火提前角上，亦可以发现在同样转速和同样进气量下，PDAON的点火提前角比PDAOFF要小，以转速为1600rpm,MAF分别为90，120，150，180这几个点中可以看出PDAON时的点火提前角分别为20.2CA0，16.8CA0，13.8CA0，12.3CA0，而PDAOFF点火提前角分别为24.3CA0，18.7CA0，16.5CA0，14.7CA0，12.8CA0。这是因为当燃烧室内的混合汽产生的涡流比较大时，对火焰传播速度会加快，缸内混合气的燃烧更加迅速，从而需要的点火提前会相对减小。表2同一转速和进气量下PDA开和关时的点火角图2为PDAOFF时所测得的万有特性减去PDAON时所测得的万有特性油耗图，从图中看出在低转速和小扭矩时PDAON的油耗明显比PDAOFF的油耗要低，在扭矩小于40N，转速低于1400rpm时在PDAON状态发动机发出的千瓦时的功所需要消耗的燃油比PDAOFF需要消耗的燃油要小12克。当扭矩从30N到50N，转速从1200rpm到1700rpm，PDAON时的油耗比PDAOFF的油耗差距逐渐减小。这是由于当扭矩和转速增大时，需要进入燃烧室内的混合气量要加大，此时由于PDA的开，使进气口变小反而阻碍了混合气进入气缸内，使泵气损失加大。当由于PDA开启所造成的泵气损失功与由于加大进气涡流而提高的热效率量相当时打开PDA和关闭PDA对发动机输出的有用功将会一样，即千瓦时油耗量一样。如果继续提高转速或加大油门，此时由PDA而产生的阻力将大于进气涡流而获得的额外功，此时打开PDA的油耗将会比关闭PDA时的油耗还要大。图2PDA开和关时的油耗差3、结论（1）通过加大进气歧管内的气体流动速度以增强燃烧室内的混合气的涡流，从而加快混合汽的燃烧速度，可以提高燃烧效率。（2）但利用PDA来改变进气气体流动速度会在大负荷、大转速时由于需要的进气量加大，而PDA的开启反而阻碍了混合汽进入气缸，从而加大了泵气损失而加大了燃油的消耗。（3）如果有效的组织进气涡流使燃烧室内的进气涡流增大，又不增加进气阻力的情况下就可以效好的改善燃烧室内的混合气的燃烧，从而提高燃烧效率和燃油经济性，改善发动机的性能。参考文献：[1]刘瑞林，四气门发动机间气门工作时缸内轴涡流运动的稳态测量研究[J]内燃机学报2002（1）：28[2]王建，刘胜吉，五气分析仪在通用小型汽油机排放试验中的使用[J]。农机化研究，2007（5）176[3]周保龙，内燃机学（第二版）北京：机械工业出版社，2006[4]李玉峰，刘书亮，提高四气门汽油机缸内滚流强度的研究，内燃机学报，1999，17（3）265-266[5]ArcoumanisC,HuZ,VafidisC,etal,TumblingMotoMechanismforTurbulenceEnhancementinSparkEngines[A]SAE90006,1999作者简介：蒋宗业，上汽通用五菱技术中心，工程师黄荣辉，上汽通用五菱技术中心，工程师