氣道內噴射壓縮空氣以改變缸內渦流強度的研究

李偉牛薪淳杜宏飛佟靜峰張彧寧

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

氣道內噴射壓縮空氣以改變缸內渦流強度的研究

李偉牛薪淳杜宏飛佟靜峰張彧寧

（中國第一汽車股份有限公司技術中心）

以某款柴油機缸蓋進氣道為研究對象，在穩流氣道試驗臺上將一定壓力的壓縮空氣噴入缸蓋進氣道，測量進氣道入口不同截面噴射位置缸內的渦流強度。并將此裝置應用在單缸機上，借助缸內高溫內窺鏡技術研究不同渦流強度下對缸內燃燒過程的影響。結果表明，螺旋進氣道噴射位置的變化對缸內渦流影響不敏感，而切向進氣道不同入口位置的流速變化對缸內渦流強度影響顯著。

1 前言

直噴柴油機缸內渦流強度的控制對于降低排放、提高動力性有十分必要的作用[1]。由于柴油機實際工作過程中缸內的空氣運動是瞬態的，而且氣流變化極其復雜，目前還沒有有效的方法和手段進行定量測量。為滿足柴油機的性能指標，設計師們一直在進行改變進氣渦流強度的研究，以求在所有轉速范圍內均可使空氣和燃油的混合處于最佳狀態，以改善燃油消耗和排放[2]。如果能夠通過某種方法實現任意改變渦流比，則對于某一特定的燃燒室和噴油系統，針對不同排放或經濟性要求，就會對應有一個最佳的渦流比，在進行新機型開發時就可以根據設計的燃燒室方案較快地確定進氣渦流強度。

2 渦流比定義

采用通過向進氣道內噴射高壓空氣的方法來研究缸內渦流強度的變化。噴射氣流會增加缸內總的進氣量，而缸內空氣運動強度又與進氣流量有關。通常情況下，在穩態進氣道試驗中是通過測量缸內空氣旋轉扭矩來計算渦流比的，因此計算渦流比的公式中包含有進氣流量這一參數。為了消除進氣流量對渦流比計算的影響，需要對渦流比計算公式進行換算。

根據Thien G.E.和Pischinger F.推導出的氣道穩流渦流比的計算公式[3，4]如下：

式中，M為缸內氣流旋轉扭矩；S為發動機行程；Q為進氣體積流量；ρ為空氣密度。

缸內進氣速度矢量分布如圖1所示。

從圖1可以看出，由進氣道進入缸內的氣流旋轉向下流動，主流速度v可以分解為沿軸向方向的速度vA和沿切向方向的速度vT，速度vT與主速度v之間的夾角為α。由此可以得到軸向速度vA與切向速度vT之間的關系：

而缸內空氣旋轉扭矩的計算公式為：

式中，r為氣缸半徑。

流體力學中流動氣體的體積流量計算公式為：

將公式（2）～公式（4）代入公式（1）可以得出渦流比RS的另一種表示方式：

式中，B為氣缸直徑。

流量系數計算公式：

式中，Qreal是實際體積流量，m3/s；Qth是理論體積流量，m3/s。

從公式（5）中可以看出，對于某一確定的柴油機，缸徑B和行程S是定值，則該柴油機的缸內渦流比只與切向氣流和主流氣流之間的夾角有關，即渦流比的計算與進入缸內的體積流量無關。如果改變氣流進入缸內的傾角，就可以改變渦流比。

改變氣流傾角的方法有2種，一種是改變進氣道或進氣門、進氣座圈的形狀，從而使進入缸內的氣流傾角相應改變；另一種是改變進氣道流通截面上的速度分布，即通過改變進氣道流通截面上某一區域處垂直于該截面的氣體流速，使流出氣門不同方位的流速發生改變，從而改變進入氣缸內氣流的傾角。

3 試驗方案

試驗方案是在進氣道入口截面處加裝一個噴嘴，通過噴嘴向進氣道內噴入一定流速的高壓空氣。此外，可以通過改變噴嘴在氣道入口截面上的不同位置而改變進氣道內氣流的流向，從而得到缸內不同強度的旋轉氣流，進而實現在缸內由低到高多種不同渦流比方案的變化。

首先在穩態氣道試驗臺上進行不同流速、不同噴嘴位置的缸內渦流測量，確定不同渦流比對應的壓縮空氣壓力（或空氣流速）及噴嘴位置之間的關系，為柴油機性能試驗提供不同渦流比方案。然后在發動機臺架試驗臺上，針對某一特定形狀的燃燒室，通過不斷改變渦流強度，結合性能數據，找到適應此燃燒室的最佳渦流強度。此時噴油系統的配置保持不變。

試驗在一排量為8.6 L柴油機缸蓋上進行，試驗裝置的布置和安裝如圖2所示。缸蓋上的進氣道設計為一個螺旋進氣道和一個切向進氣道，彼此獨立。另外，進氣箱與缸蓋為一體設計，對安裝控制板和噴嘴十分有利。

將缸蓋進氣箱外側銑出一個長方形通孔并用一塊有機玻璃板密封固定，同時在有機玻璃板上對應每個進氣道入口分別加工足夠大小的窗口。針對兩個進氣道入口尺寸的不同而設計兩塊控制板，控制板上分別加工噴嘴固定孔，螺旋進氣道對應的控制板上布置8個固定噴嘴的螺栓孔，切向進氣道對應的控制板上布置6個固定噴嘴的螺栓孔，從而可以基本覆蓋進氣道入口截面上的每個敏感位置。將控制板固定在有機玻璃板上，噴嘴固定在控制板相應的孔上，噴嘴通過膠管與壓縮空氣連接，噴嘴內徑為5 mm。還安裝有3通管件、壓力傳感器座和控制閥門，其中3通管件將壓縮空氣分成兩部分，可實現同時向兩個氣道噴入壓縮空氣；壓力傳感器座上安裝有壓力傳感器和顯示儀表，用于顯示管路內的空氣壓力；通過改變控制閥門的開度來控制管路內的空氣壓力，并維持穩定。

4 穩流試驗測量

試驗是在以該款柴油機缸蓋為基礎而改造的單缸機缸蓋上進行的，與氣道測量相關的參數見表1。

表1 機型基本試驗參數

試驗壓差設定為4 kPa，氣門升程按2mm、4mm、6 mm、8 mm、10 mm、11 mm、12 mm、13 mm分別設定。壓縮空氣恒定壓力為0.77MPa，試驗過程中所有方案下噴嘴前靜壓都保持在0.4 MPa，但在其中一個方案中進行設定兩種靜壓（0.4 MPa、0.5 MPa）條件下的對比試驗。

圖3是壓縮空氣噴嘴在兩個進氣道入口截面處的位置和編號。首先進行單噴嘴在各位置的試驗，然后根據試驗結果選出螺旋進氣道入口截面上各位置中渦流比最高點和最低點，再選出切向進氣道入口截面上渦流比最高點和最低點，以進行交叉組合試驗。

對原始缸蓋進氣道的流通能力進行測量，其渦流強度較高，渦流比Rs=2.19，流量系數Cf=0.307。將噴嘴分別單獨安裝在螺旋進氣道入口和切向進氣道入口截面各點，并向氣道內噴入靜壓為0.4 MPa的壓縮空氣，流動穩定后，記錄各個氣門升程時的流量系數和渦流比。不同噴嘴位置流量系數和渦流比測量結果如圖4和圖5所示。

從圖5中可以看出，安裝噴嘴后渦流比的變化較明顯，#1～#8安裝在螺旋進氣道上，其中#8渦流比最低（Rs=1.643），與原機相比降低幅度為24.98%；#9～#14安裝在切向進氣道上，各點渦流比增加明顯，其中#14渦流比最高（Rs=2.521），與原機相比提高了15.11%。

根據氣道穩流試驗結果選擇4個不同渦流強度的方案，在單缸機上利用內窺鏡光學測量系統研究不同渦流強度下缸內燃燒狀態的變化。最終選擇的點為#6、#8、#11和#14。因為單缸機試驗臺上能實現的增壓壓力范圍在0.12～0.16 MPa之間，因此在穩流試驗臺上分別測量4個點在噴射壓力為0.12 MPa、0.14 MPa和0.16 MPa時缸內流通能力和渦流強度的變化，結果如圖6和圖7所示。

從圖6和圖7中可以看出，噴射壓力的變化對進氣流量系數和渦流比的影響很小，完全可以忽略不計，因此根據0.4 MPa進氣壓力下選擇的4個點完全具有代表性。

5 單缸機燃燒光學測量

該套試驗裝置不但在穩流試驗臺上容易實現，在單缸機試驗臺上也不需要任何調整即可進行可變渦流的燃燒性能研究。試驗過程中噴油參數、進氣條件不變，只改變噴嘴所在位置，通過內窺鏡光學測量系統研究不同渦流強度下對缸內火焰擴展狀態和排放物Soot、NOx生成的影響。選擇渦流比最小（Rs= 1.643）和最大（Rs=2.521）的兩個點（#8和#14）進行對比試驗，試驗進氣壓力為135 kPa，軌壓為65 MPa，單缸機燃燒試驗兩種渦流比方案對比時不同放熱率對應的曲軸轉角結果見表2。

表2 渦流比試驗燃燒數據

從表2可以看出，相同爆發壓力條件下，不同渦流強度時的5%放熱、10%放熱、50%放熱和90%放熱對應的持續期（換算成曲軸轉角）幾乎一致，說明渦流強度的變化對熱效率影響甚微。

圖8和圖9分別為Rs=1.643和Rs=2.521時缸內火焰狀態。

從圖8和圖9不同渦流比下的影像數據可以看出，渦流比增大，燃燒始點、燃燒持續期基本不變，與熱力學數據基本吻合。兩種渦流比的影像數據中，在上止點后1°到上止點后8°的燃燒階段，可明顯觀察到左側和右側的兩束火焰均向左方移動。隨著渦流比增大，火焰隨著渦流方向移動，改變了火焰形態的發展，也影響了缸內不同區域溫度的分布形態[5]。

6 結束語

穩流氣道試驗證明，通過向進氣道內噴入一定壓力的壓縮空氣，只需改變噴嘴的安裝位置即可在一定范圍內獲得多種強度的缸內渦流比。

從試驗結果中可以看出，螺旋進氣道入口截面上各點進氣流速發生變化對缸內渦流強度變化的影響不明顯，而切向進氣道入口截面上進氣流速的變化對缸內渦流強度的影響十分明顯，說明切向進氣道主要以氣流流動方向來控制缸內渦流強度。

不同渦流強度對燃燒始點、燃燒持續期影響甚微，但會顯著改變缸內火焰的分布與形態發展，同時也對缸內溫度場的分布狀態產生影響。

1Jun-ichi Kawashima，Hiroshi Ogawa，Yoshiyuki Tsuru.Research on a Variable Swirl Intake Port for 4-Valve High-Speed DI Diesel Engines.SAE 982680.

2Takahashi H.應用變渦流系統改善柴油機性能.SAE871618.

3Thien G E.Description of Measuring Methods for the Investigation of Stationary Flow Properties at valve Ports and Statements for the Evaluation of the Measurement Results.AVL.

4Pischinger F.Development Work on a Combustion System for Vehicle Diesel Engines.FISITA Congress，1962.

5牛薪淳.柴油單缸機燃燒過程的可視化研究：[碩士論文].長春：吉林大學，2012.

（責任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2013年10月15日。

Research on Compressed Air Injecting into Intake Ports to Change Swirl Intensity In-cylinder

Li Wei，Niu Xinchun，Du Hongfei，Tong Jingfeng，Zhang Yuning
（China FAW Co.，Ltd R&D Center）

Taking cylinder head intake port of a diesel engine as the research object，we inject compressed air into the intake port on a steady flow test bench，to measure the swirl intensity in-cylinder which is changed by different injector's position at inlet entrance section.Using this device on a single-cylinder engine，and make use of the endoscopic lens to investigate the influence of different swirl intensity on the combustion process in cylinder.The results show that the in-cylinder swirl is affected slightly by the changes of injector location of helical intake port，whereas swirl intensity is affected significantly by the changes of flow rate at different entrance of tangential intake port.

Diesel engine,Intake port,Compressed air,Variable swirl

柴油機進氣道壓縮空氣可變渦流

U464

：A文獻標識碼：1000-3703（2014）02-0024-04