馬 為，王春龍，張恩源，張小燕，劉 斌

(重慶長(zhǎng)安汽車(chē)股份有限公司，重慶 300082)

可變進(jìn)氣滾流技術(shù)對(duì)增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)油耗及排放影響的研究?

馬 為，王春龍，張恩源，張小燕，劉 斌

(重慶長(zhǎng)安汽車(chē)股份有限公司，重慶 300082)

在長(zhǎng)安一款1.5L缸內(nèi)直噴渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了可變進(jìn)氣滾流技術(shù)的仿真和試驗(yàn)研究。研究主要聚焦于催化劑起燃工況，同時(shí)也關(guān)注了穩(wěn)態(tài)部分負(fù)荷工況的燃油消耗，分析了幾種不同的可變進(jìn)氣滾流方案在催化器起燃工況對(duì)滾流比和湍動(dòng)能的影響和在部分負(fù)荷工況對(duì)油氣混合質(zhì)量和燃燒室表面濕壁量的影響。最后通過(guò)優(yōu)化電噴參數(shù)，獲得在催化器起燃和部分負(fù)荷穩(wěn)態(tài)工況最優(yōu)的方案。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用可變進(jìn)氣滾流技術(shù)能提高燃燒穩(wěn)定性，降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和排放。

增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)；可變進(jìn)氣滾流；油耗；排放

前言

排放、油耗法規(guī)的進(jìn)一步嚴(yán)格對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的開(kāi)發(fā)提出了更高的要求。尤其國(guó)六排放引入PN排放對(duì)直噴汽油機(jī)更是挑戰(zhàn)[1]。強(qiáng)化缸內(nèi)流動(dòng)、改善油氣混合質(zhì)量、加速燃燒是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)優(yōu)化的主要方向[2]。

當(dāng)前強(qiáng)化缸內(nèi)流動(dòng)、促進(jìn)油氣混合主要是通過(guò)缸蓋氣道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高進(jìn)氣滾流來(lái)實(shí)現(xiàn)的[3-4]。但由于氣道滾流與流量系數(shù)本身在缸蓋設(shè)計(jì)上存在矛盾，高滾流氣道通常流量系數(shù)較低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率下降，從而影響輸出功率和轉(zhuǎn)矩。另外，缸內(nèi)滾流不僅與氣道設(shè)計(jì)相關(guān)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷同樣對(duì)缸內(nèi)滾流有重要影響，轉(zhuǎn)速越低、負(fù)荷越小，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)滾流越弱。這樣對(duì)于用戶使用占比較大的低速低負(fù)荷工況，僅靠氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)提升缸內(nèi)滾流的效果有限[5]。

可變進(jìn)氣滾流(variable charge tumble motion，VCTM)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)改善低速低負(fù)荷的滾流和確保高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷的充氣效率的較好平衡。通過(guò)在進(jìn)氣歧管末端安裝可變進(jìn)氣滾流閥，低速低負(fù)荷工況閥門(mén)開(kāi)度較小，通過(guò)節(jié)流來(lái)提高氣流速度，強(qiáng)化滾流；高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷時(shí)節(jié)流閥全開(kāi)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)充足的進(jìn)氣。本文中通過(guò)仿真分析，對(duì)可變進(jìn)氣滾流裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，確定了最佳可變進(jìn)氣滾流技術(shù)方案。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)采用可變進(jìn)氣滾流技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒穩(wěn)定性、油耗和排放進(jìn)行了深入研究。

1 研究對(duì)象

本文中以一款1.5L增壓直噴汽油機(jī)為研究對(duì)象，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。圖1為可變進(jìn)氣滾流技術(shù)示意圖，滾流調(diào)節(jié)通過(guò)進(jìn)氣歧管外端的節(jié)流閥轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)節(jié)流閥處于位置A時(shí)，可在低速低負(fù)荷工況實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)滾流，當(dāng)節(jié)流閥處于位置B時(shí)，可確保發(fā)動(dòng)機(jī)充足的進(jìn)氣。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖1 可變進(jìn)氣滾流技術(shù)示意圖

2 可變進(jìn)氣滾流三維CFD仿真

針對(duì)1 200r/min，pmi＝0.3MPa的部分負(fù)荷工況進(jìn)行了VCTM節(jié)流閥片的有效流通面積、安裝角度和形狀對(duì)缸內(nèi)滾流和湍動(dòng)能影響的仿真分析，主要從滾流和湍動(dòng)能角度進(jìn)行各方案的評(píng)估。

2.1 可變進(jìn)氣滾流起燃工況三維CFD分析

本節(jié)主要圍繞起燃工況進(jìn)行了3種狀態(tài)共計(jì)10種方案進(jìn)行缸內(nèi)流動(dòng)對(duì)比分析，評(píng)估改善缸內(nèi)滾流和湍動(dòng)能的最佳方案。圖2為用于缸內(nèi)流動(dòng)分析的三維幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格示意圖。

圖2 缸內(nèi)流動(dòng)分析3D及網(wǎng)格示意圖

2.1.1 不同可變進(jìn)氣滾流閥片有效流通面積對(duì)比

進(jìn)氣閥處的氣流速度是影響缸內(nèi)滾流的一個(gè)重要因素，它與通過(guò)進(jìn)氣道的有效流通面積相關(guān)。小的有效流通面積雖然能加快氣流速度，增強(qiáng)滾流，但也會(huì)限制進(jìn)氣道的流量。然而，可變進(jìn)氣滾流技術(shù)可靈活控制節(jié)流閥的開(kāi)度來(lái)控制進(jìn)氣道的有效流通面積。不同有效流通面積的方案如圖3所示，節(jié)流閥的開(kāi)度固定在60°，模擬結(jié)果如圖4、圖5和表2所示?？梢钥闯?，隨著有效流通面積的減小，缸內(nèi)滾流比和湍動(dòng)能不斷增大。1/10有效流通面積方案是最佳的滾流提升方案。與原機(jī)相比，進(jìn)氣沖程的峰值滾流增加了154%，湍動(dòng)能也增加了4%。

圖3 閥片不同有效流通面積方案

圖4 閥片不同有效流通面積滾流比對(duì)比

圖5 閥片不同有效流通面積湍動(dòng)能對(duì)比

表2 閥片不同有效流通面積滾流和湍動(dòng)能對(duì)比

2.1.2 可變進(jìn)氣滾流閥片不同轉(zhuǎn)角的對(duì)比

閥片轉(zhuǎn)角會(huì)對(duì)氣流的壁面導(dǎo)向作用有一定影響。因此對(duì)閥片不同轉(zhuǎn)角對(duì)滾流和湍動(dòng)能的影響進(jìn)行了研究。閥片的有效流通面積固定為1/10。圖6為可變進(jìn)氣滾流技術(shù)閥片不同轉(zhuǎn)角方案。三維CFD仿真結(jié)果如圖7、圖8和表3所示?？梢钥闯觯D(zhuǎn)角為60°時(shí)滾流比和湍流動(dòng)能最好。與原機(jī)相比，峰值滾流和湍流動(dòng)能提高了154%和4%。

圖6 可變進(jìn)氣滾流閥片不同轉(zhuǎn)角的對(duì)比

圖7 閥片不同轉(zhuǎn)角的滾流比對(duì)比

圖8 閥片不同轉(zhuǎn)角下點(diǎn)火時(shí)刻湍動(dòng)能對(duì)比

表3 閥片不同轉(zhuǎn)角下滾流比和湍動(dòng)能對(duì)比

2.1.3 可變進(jìn)氣滾流閥片不同形狀的研究

圖9 不同閥片形狀方案

本節(jié)在閥片有效流通面積為1/10、轉(zhuǎn)角為60°條件下對(duì)4種不同閥片形狀方案進(jìn)行了研究。4種閥片形狀方案如圖9所示。三維CFD模擬表明，方案D以其獨(dú)特的凸起結(jié)構(gòu)可以最大限度地提高氣流速度和減少流動(dòng)分離，如圖10所示。與方案A相比，盡管第一個(gè)峰值起伏且相對(duì)較低，但第二峰值滾流比和湍動(dòng)能仍然較高，如圖11、圖12和表4所示。從提高低速低負(fù)荷燃燒穩(wěn)定性的角度來(lái)看，湍動(dòng)能顯得更為重要。因此，方案D是改善缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)和提升湍動(dòng)能的最佳技術(shù)方案。后續(xù)的仿真和試驗(yàn)均基于該方案進(jìn)行。

圖10 1 200r/min，p mi＝0.3MPa工況流場(chǎng)對(duì)比

圖11 不同閥片形狀滾流比對(duì)比

圖12 不同閥片形狀湍動(dòng)能對(duì)比

表4 不同閥片形狀滾流比和湍動(dòng)能對(duì)比

2.2 部分負(fù)荷工況三維CFD分析

本節(jié)針對(duì)燃燒室濕壁和缸內(nèi)油氣混合均勻性進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明采用可變進(jìn)氣滾流技術(shù)油氣混合均勻性可提升27%?；钊敐癖诤透滋诐癖诒壤捣蛇_(dá)到74%和90%。詳見(jiàn)圖13、圖14和表5。

圖13 2 000r/min，p me＝0.2MPa點(diǎn)火位置缸內(nèi)當(dāng)量比分布對(duì)比

表5 2 000r/m in，p me＝0.2MPa燃油濕壁和油氣混合均勻性對(duì)比

圖14 2 000r/min，p me＝0.2MPa燃燒室和缸套濕壁分布對(duì)比

3 可變進(jìn)氣滾流試驗(yàn)

基于上述仿真研究，獲得了提升滾流和湍動(dòng)能的最佳可變進(jìn)氣滾流技術(shù)方案。本節(jié)針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)催化劑起燃工況和部分負(fù)荷工況進(jìn)行了原機(jī)和采用最佳進(jìn)氣滾流技術(shù)方案的發(fā)動(dòng)機(jī)性能對(duì)比研究。圖15為原機(jī)與最佳可變進(jìn)氣滾流技術(shù)進(jìn)氣歧管方案對(duì)比圖。

圖15 原機(jī)與最佳可變進(jìn)氣滾流技術(shù)進(jìn)氣歧管方案對(duì)比

3.1 催化劑起燃工況研究

決定催化劑起燃能力最主要的因素為發(fā)動(dòng)機(jī)在滿足燃燒穩(wěn)定性要求下能否最大限度地推遲點(diǎn)火[6]。本部分主要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行原機(jī)與可變進(jìn)氣滾流技術(shù)對(duì)比測(cè)試。結(jié)果表明：采用可變進(jìn)氣滾流技術(shù)，1 200r/min，pmi＝0.3MPa工況在平均指示壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差σpmi為0.03MPa的條件下點(diǎn)火角可從原來(lái)的-7°CA BTDC 推遲至-22°CA BTDC；排氣熱流率從4.5kW/L增大到了7kW/L，增幅達(dá)到55%；HC比質(zhì)量流率也從14g/(h·L)降低到了2g/(h·L)，降幅高達(dá)85%。

3.2 部分負(fù)荷工況研究

采用可變進(jìn)氣滾流技術(shù)不但可以提升三元催化器起燃能力，而且在降低部分負(fù)荷工況油耗和排放方面有不同程度的效果。本文中圍繞2 000r/min，pme＝0.2MPa工況的油耗和排放進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，采用可變進(jìn)氣滾流技術(shù)后發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒穩(wěn)定性明顯提升，在σpmi同為0.015MPa的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)殘余廢氣的容忍程度從原來(lái)的10%提升到了30%。由于殘余廢氣的容忍能力提升，發(fā)動(dòng)機(jī)可通過(guò)進(jìn)氣相位提前增大殘余廢氣來(lái)降低泵氣損失。進(jìn)氣相位可較原機(jī)提前45°CA，使泵氣損失降低17%，油耗降低4.3%。

由于油氣混合質(zhì)量的提升和燃油濕壁量的降低，發(fā)動(dòng)機(jī)有害氣體排放有不同程度的降低，其中CO，NOx和HC排放分別降低30%，25%和4%。燃燒方面，在相同的MBF50條件下，燃燒持續(xù)期縮短了3°CA。本文中主要對(duì)低速低負(fù)荷工況進(jìn)行了相關(guān)研究，未涉及中高負(fù)荷工況。主要原因?yàn)殡S著負(fù)荷的升高，泵氣損失本身就相對(duì)較小，因此采用可變進(jìn)氣滾流技術(shù)降低泵氣損失的效果不大。

4 結(jié)論

本文中利用三維CFD分析和試驗(yàn)測(cè)試等手段進(jìn)行了可變進(jìn)氣滾流技術(shù)研究。結(jié)果表明，可變進(jìn)氣滾流閥片的有效流通面積、安裝角度和閥片形狀均對(duì)缸內(nèi)滾流及湍動(dòng)能有不同程度影響。仿真結(jié)果表明，閥片有效流通面積1/10、安裝角度60°和凸形閥片是提升滾流、改善湍動(dòng)能的最佳方案，采用該方案還可有效減少直噴汽油機(jī)的濕壁。

臺(tái)架試驗(yàn)表明，可變進(jìn)氣滾流技術(shù)在改善發(fā)動(dòng)機(jī)低速低負(fù)荷工況的燃燒穩(wěn)定性、加快燃燒速度、降低部分負(fù)荷油耗和排放均有明顯的效果。試驗(yàn)結(jié)果顯示：采用可變進(jìn)氣滾流技術(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)在1 200r/min，pmi＝0.3MPa時(shí)催化劑起燃工況排氣熱流率從4.5增大到了7kW/L，增幅達(dá)到55%；HC質(zhì)量流率也從14降低到了2g/(h·L)，降幅高達(dá)85%。由于采用可變進(jìn)氣滾流后燃燒穩(wěn)定性的改善和油氣混合均勻性的提升，發(fā)動(dòng)機(jī)部分負(fù)荷工況油耗和排放也有一定程度降低，其中在2 000r/min，pme＝0.2MPa燃油消耗率降幅達(dá)到4.3%。

[1] HAN Z，WEAVER C，WOOLDRIDGE S.Development of a new light stratified-charge DISI combustion system for a family of engines with upfront CFD coupling with thermal and optical engine experiments[C].SAE Paper 2004-01-0545.

[2] WIRTH M，MAYERHOFER U，PIOCKW F，etal.Turbocharging the DIgasoline engine[C].SAE Paper 2000-01-0251.

[3] LANG O， GEIGER J， HABERMANN K， et al.Boosting and directInjection-synergies for future gasoline engines[C].SAE Paper 2005-01-1144.

[4] HANCOCK D，F(xiàn)RASER N，JEREMY M，et al.A new 3 cylinder 1.2l advanced downsizing technology demonstrator engine[C].SAE Paper 2008-01-0611.

[5] BANDELW，F(xiàn)RAIDLG K，KAPUSP E，etal.The turbocharged GDIengine：boosted synergies for high fuel economy plus ultra-low emission[C].SAE Paper 2006-01-1266.

A Study on the Effects of Variable Charge Tumble Motion Technology on the Fuel Consumption and Emissions of Turbocharged Direct Injection Engine

M a Wei， W ang Chunlong，Zhang Enyuan，Zhang Xiaoyan ＆ Liu Bin
Chongqing Changan Automobile Company Limited，Chongqing 300082

Simulation and experimental studies on variable charge tumble motion(VCTM)technique are conducted on a Changan's 1.5L turbocharged direct injection engine.The studymainly focuses on the condition of catalyst light-off andmeanwhile pays attention to the fuel consumption in steady-state part-load condition.The effects of different VCTM schemes on tumble ratio and turbulent kinetic energy in catalyst light-off condition and those on fuel-gasmixing quality and the surface wetting of combustion chamber in part-load condition are analyzed.Finally the optimum schemes in both catalyst light-off and steady-state part load conditions are obtained through electronic injection parameter optimization.Test results show that the adoption of VCTM technique can enhance combustion stability and reduce the fuel consumption and emission of engine.

turbocharged direct injection engine； variable charge tumblemotion； fuel consumption； em ission

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.10.003

?重慶市人才計(jì)劃新一代高效環(huán)保汽油機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目(cstc2014jcyjjq60001)資助。

原稿收到日期為2017年7月19日，修改稿收到日期為2017年8月24日。

馬為，工程師，E-mail：mawei＠ changan.com.cn。