一種新型汽車進氣道被動式導流翼片

符欲梅　黃微晏　昝昕武　李良波

重慶大學光電技術及系統教育部重點實驗室,重慶,400044

一種新型汽車進氣道被動式導流翼片

符欲梅黃微晏昝昕武李良波

重慶大學光電技術及系統教育部重點實驗室,重慶,400044

針對自然吸氣式發動機,設計了一種新型被動式導流翼片。該翼片安裝在節氣門后端，用于改善進氣道內氣流的均勻性。仿真研究結果表明：對于自然吸氣式發動機，安裝了該翼片的節氣門體在常用開度范圍內，其后端流場以較小的流量損失換取了渦流比的大幅度提升，且流動更均勻。節氣門性能實驗和發動機外特性實驗結果表明：節氣門體后端流場在被動式導流翼片的作用下，基本沒有流量損失，且燃燒室內燃燒更加充分、燃油利用率得到一定程度提高。仿真及實驗結果表明：被動式導流翼片以低成本和高可靠性，使燃油利用率有一定提升。

自然吸氣式發動機；節氣門體；汽車進氣道；被動式導流翼片

0　引言

自然吸氣式發動機的動力輸出非常平順,不會因為轉速的變化而出現驟然的猛加速,而且使用壽命長、維修簡便。但自然吸氣式發動機動力性能比較差，特別是在節氣門開度較小時，節氣門體的單片圓形閥片結構不利于引導進氣氣流形成渦流,從而不利于燃油與空氣的充分混合[1]。而氣缸內油氣均勻混合有利于提高混合氣體的燃燒效率，從而增強汽車動力，降低排放和油耗。因此，為降低油耗、提高燃油利用率，需要對自然吸氣式發動機的進氣方式進行改進。

1　現有改進技術

1.1渦輪增壓技術

渦輪增壓[2]通過提高進氣壓力,增加氣缸的充氣量,使燃油充分燃燒，以此增強動力并減少排放。

與自然吸氣式發動機相比,渦輪增壓在發動機結構尺寸不變的情況下,功率和扭矩可提高20%～50%[3]。但由于渦輪增壓器經常在高速、高溫條件下工作,容易使機油在高溫下氧化,進而影響冷卻系統。在低轉速時,汽車排放出的廢氣不足以推動排氣渦輪,不但沒有增壓的效果反而造成排氣的阻礙,即產生“渦輪延遲”現象[3]。此外,渦輪增壓汽車價格昂貴，且維護成本高。

1.2導流翼片技術

導流翼片技術是在自然吸氣類型汽車的節氣門體前端或后端的進氣管道中放置適當結構的導流翼片，使得氣流在導流翼片的作用下形成渦流，使燃燒室油氣混合更均勻，燃燒更充分，以此提高燃油利用率。

談乃成等[4]設計的導流裝置是一塊圓形板件安裝在空氣濾清器之前。板上有若干開孔，每個孔的邊緣連接一個導流片，整個導流翼片用圓形底座固定。該導流裝置沒有機械可動部件,但是對氣流的阻礙作用很大。當節氣門開度較小時，進氣氣流較弱，如果阻力過大，會進一步削弱進氣氣流強度，嚴重時還會導致發動機熄火。丁年勝等[5]設計的導流渦輪安裝在進氣歧管接近進氣口處，外部輪廓為圓柱狀中空管，內部由3根成120°的導流支架固定樞軸,樞軸另一端均勻結合10片渦輪葉片；該導流渦輪利用渦輪葉片在氣道中產生渦流,結構復雜，有機械可動部分,且對氣流阻礙大。歐文斌[6]設計的進氣渦輪由安裝在節氣門與空氣濾清器之間的渦輪裝置和安裝在臨近節氣門體內側進氣歧管的導風裝置組成,渦輪裝置與丁年勝等[5]設計的導流裝置類似，導風裝置是中空圓管，圓管內周緣向內延伸,形成數個偏斜排列的倒流鰭,該裝置有助于進氣形成渦流，但結構復雜，對氣流阻礙大。Levitz等[7]設計的被動式導流片安裝于節氣門后端，該圓形板件上有一個氣流孔、多個連接孔，葉片和板是一個整體，從氣流孔周邊向氣流孔中心延伸；翼片無機械可動部件,對氣流阻礙很小，能在一定程度上增加進氣渦流強度，但效果并不是特別明顯。

綜上所述，渦輪增壓技術是通過提高進氣壓力，增加氣缸的充氣量，使得燃油燃燒更加充分。而導流翼片技術則利用不同結構形式的導流翼片引導進氣氣流形成渦流從而使得油氣混合更均勻、燃燒更充分。前者主要針對新投放市場的新型車輛，后者則可針對市場上數量眾多的在役車輛，因而后者的實用價值和研究意義更為重大。

2　新型被動式導流翼片

2.1設計思想

新型被動式導流翼片結構如圖1所示，它由氣流孔、弧形翼片及安裝基座三部分組成。

圖1　被動式導流翼片結構

該導流翼片的安裝基座為一圓形板件，板件中間是氣流孔，周圍由6個弧形翼片折彎成一定角度形成導流片。氣流孔可適當減弱翼片對氣流的阻擋作用，導流翼片則有助于引導進氣形成渦流。

該導流翼片安裝在節氣門體后端，經過優化后的氣流孔與弧形翼片可使進氣氣流在常用節氣門開度α(0～45°)范圍內以較小的流量損失換取渦流比的大幅度提升，使燃燒室內空氣燃油充分混合，提高發動機性能。該翼片沒有機械可動部件，結構簡單，安裝方便。

2.2仿真分析

2.2.1跡線分析

將安裝被動式導流翼片前后的跡線圖進行對比分析。由圖2可以看出,進氣道安裝導流翼片前(圖2a、圖2b),大部分氣流流經節氣門環隙后沿管壁流出,少部分氣流在閥片背后形成兩個回流。安裝導流翼片后(圖2c、圖2d)，閥片后近管壁的跡線明顯變稀疏，管道軸心處的跡線明顯變密,空氣從閥片流過后在導流翼片的引導下旋轉著流出。這說明安裝翼片后相對于安裝翼片前氣流分布更均勻，且節氣門開度越小效果越明顯。

(a)安裝翼片前(α=10°)

(b)安裝翼片前(α=45°)

(c)安裝翼片后(α=10°)

(d)安裝翼片后(α=45°)圖2　安裝被動式導流翼片前后的跡線圖

2.2.2出口截面切向速度分析

由圖3可知,未安裝翼片時(圖3a、圖3b),節氣門出口截面的兩側氣流周向速度相反，越靠近漩渦中心處切向速度越小。開度為45°時，形成兩個反向旋轉的漩渦。這兩個對稱的漩渦會導致氣流在管道流動時，切向速度相互抵消使氣流運動減弱，不利于空氣與燃油的充分混合，會對發動機的性能造成不利影響。

安裝翼片后(圖3c、圖3d),氣流在出口截面切向形成一個規則的渦流，從軸心到管壁附近速度基本上呈逐漸增大的趨勢，且比未安裝導流翼片的切向速度大。這說明安裝翼片后，氣流運動得到加強，能夠促使氣缸內油氣混合更加充分。

(a)安裝翼片前(α=10°)(b)安裝翼片前(α=45°)

(c)安裝翼片后(α=10°)　(d)安裝翼片后(α=45°)圖3　節氣門出口截面處的切向速度矢量圖

2.2.3YZ切平面湍流分布分析

湍流強度會直接影響空氣進入發動機缸體后與燃油的混合程度，適當強化出口湍流強度，有利于空氣與燃油更均勻地混合。圖4為YZ切平面上湍流強度等值線云圖。

(a)安裝翼片前(α=10°,α=45°)

(b)安裝翼片后(α=10°)

(c)安裝翼片后(α=45°)圖4　YZ切平面上湍流強度等值線云圖

在節氣門加導流翼片前(圖4a),其后端流場總的來說湍流強度是比較小的，且在出口處湍流強度明顯減弱。特別是當開度為10°時,由于空氣流量較小，單閥片式節氣門體不能有效引導氣流形成渦流。從圖4b、圖4c可以看到,安裝導流翼片后,無論開度是45°還是10°,導流翼片都能使節氣門體后端湍流強度明顯增大,且氣流分布更為均勻。

2.2.4流量系數與渦流比分析

分別計算不同節氣門開度的流量系數和渦流比,如圖5所示。

(a)流量系數的對比圖

(b)渦流比的對比圖圖5　安裝導流翼片前后的流量系數及渦流比對比圖

通過對比可知,在節氣門常用開度范圍(0～45°)內,安裝導流翼片后流量系數有一定程度的減小，但減小幅度很小，而渦流比卻得到顯著提高。

2.2.5仿真結果總結

由以上仿真分析可知：在常用節氣門開度范圍內，導流翼片使節氣門后端氣流運動加劇，湍流強度增強，管道各處氣流流動、分布更均勻，且流量損失較小，渦流比大幅度提高。

3　實驗分析

3.1節氣門體性能實驗

將導流翼片在專用節氣體門實驗臺上進行對比測試，得到不同節氣門開度和相同出口壓力(10 kPa)下的空氣流量，如圖6所示。

圖6　安裝翼片前后空氣流量對比

由于實驗時,節氣門出口壓力不可能完全相同,使得在某些開度下安裝翼片后的空氣流量稍大于安裝翼片前的空氣流量。但總體上可表明在節氣門常用開度范圍(0～45°)內,安裝導流翼片后節氣門后端氣流幾乎沒有流量損失,與仿真結果十分吻合。

3.2發動機外特性實驗

將3種不同結構的導流翼片安裝在某款排量為1.2 L的直列四缸四沖程橫置式汽油發動機上進行外特性對比測試(最大功率為64 kW,最大扭矩為114 N·m),得到發動機不同轉速下的有效功率和油耗,如圖7、圖8所示。

圖7　安裝翼片前后功率對比

圖8　安裝翼片前后油耗對比

為進一步驗證該被動式導流翼片是否能對燃油利用率起到改善作用,將安裝翼片前后的燃油消耗率進行對比。燃油消耗即單位有效功率的燃油消耗量be[8]的單位為g/(kW·h)，其計算公式為

be=1000B/Pe

(1)

式中,B為發動機的油耗,kg/h;Pe為發動機有效功率,kW。

安裝翼片前后燃油消耗率對比如圖9所示。為更明顯地表示3種翼片測試結果的差異,通過計算求出不同轉速下,安裝導流翼片后發動機燃油消耗率下降百分比,見表1。

圖9　安裝翼片前后燃油消耗率對比

轉速(r/min)燃油消耗率下降百分比(%)方案1(翼片1)方案2(翼片2)方案3(翼片3)1000-2.01971.61721.2658150000.70420.704220000.85352.52261.18392500-0.39791.70290.51383000-0.02790.76411.10363500-0.18120.63410.99644000-0.5797-0.07260.65084500-0.9052-0.32810.75515000-0.49860.33100.75555500-0.05810.36440.86746000-1.25641.19011.1629

由圖9和表1可知,與原狀態(安裝導流翼片之前)相比，方案1在獲得相同的有效功率時，燃油消耗率較原狀態高。方案2和方案3在同原狀態獲得相同的有效功率時，燃油消耗率較原狀態有下降的趨勢。

3.3實驗結果總結

由節氣門性能實驗和發動機外特性實驗結果可知：在節氣門常用開度范圍內，安裝導流翼片后，節氣門后端空氣流量基本不變，且在獲得相同有效功率的情況下，方案2和方案3在發動機常用轉速下油耗呈下降趨勢。

4　結論

(1)仿真實驗結果表明，安裝被動式翼片之后節氣門后端氣流在整個管道內分布更均勻，湍流強度明顯增大，出口截面形成一個規則的渦流，出口速度大幅增大，且在節氣門體常用開度范圍內，節氣門后端流場流量系數小幅度減小,渦流比大幅度提高。

(2)節氣門體專用實驗結果表明，安裝導流翼片后，在節氣門體常用開度范圍內，導流翼片對氣流阻礙作用小，幾乎沒有流量損失。

(3)發動機外特性實驗結果表明，安裝導流翼片后，發動機在輸出相同有效功率的情況下，方案1的燃油消耗率較原狀態高。方案2和方案3在發動機常用轉速下燃油消耗率較原狀態有下降的趨勢。由此可知導流翼片結構對其性能有較大的影響，若對其結構參數和形狀進行優化，有可能進一步提高其性能。

(4)仿真和實驗結果表明，該被動式導流翼片對氣流阻礙作用很小，能有效引導氣流形成渦流，改善節氣門后端氣流均勻性，并且性價比高。被動式導流翼片以低成本、高可靠性，使燃油消耗在發動機常用轉速下呈下降趨勢。因此，本文設計的被動式導流翼片是有益的嘗試。

[1]李良波．一種汽車進氣系統的被動式渦流翼片研究[D].重慶：重慶大學,2012.

[2]安立群.渦輪增壓原理和使用方法[J].汽車時代,2006(1):158-159.

An Liqun.The Principle and Working Methods of Turbocharging[J].Automobile Era,2006(1):158-159.

[3]黃世華,霍楓,楊世鐵.淺談汽車發動機的增壓技術[J].汽車零部件,2012(3):23-26.

Huang Shihua,Huo Feng,Yang Shitie.Discussion on the Charging Technology for the Automobile Engine[J].Automobile Parts,2012(3):23-26.

[4]談乃成,蔣堯夫.一種內燃機進氣導流裝置:中國,01139378.5[P].2003-06-04.

[5]丁年勝,徐欣怡.一種內燃機進氣口被動式進氣渦輪:中國,200620042846.2[P].2007-10-31.

[6]歐文斌.被動式進氣渦輪系統:中國,201220552905.6[P].2013-04-24.

[7]Levitz J,Enloe S.Throttle Plate for Use with Internal Combustion Engine:United States,US7665442B1[P].2010-02-23.

[8]唐文初,鄧寶清.汽車構造[M].廣州:華南理工大學出版社, 2010.

(編輯陳勇)

A Noval Passive Flow Vane in Automobile Air Intake

Fu YumeiHuang WeiyanZan XinwuLi Liangbo

Key Laboratory for Optoelectronic Technology & Systems, Ministry of Education，Chongqing University,Chongqing,400044

Aimed at the automobile with naturally aspirated engine,a new passive flow vane was presented herein.It is installed behind the throttle valve body to improve the uniformity of air flow in the intake system.The simulation results show that the swirl ratio is increased with a small flow rate loss,meanwhile the uniform of flow field behind throttle valve body are improved after installing the passive flow vane to the naturally aspirated engine.The throttle performance tests and engine external characteristic tests show that there almost have no flow loss,the fuel in combustor is burned fully and the fuel consumption is decreased in the common opening range of the throttle valve.The simulations and tests show that the passive flow vane improves fuel efficiency to a certain extent with low cost and high reliability.

naturally aspirated engine;throttle valve body;automobile air intake;passive flow vane

2015-01-16

U467.21DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.20.024

符欲梅,女,1972年生。重慶大學光電技術及系統教育部重點實驗室副教授、博士。主要研究方向為信息獲取及處理、汽車電子。黃微晏，女，1989年生。重慶大學光電技術及系統教育部重點實驗室碩士研究生。昝昕武，男，1969年生。重慶大學光電技術及系統教育部重點實驗室副教授、博士。李良波，男，1984年生。重慶大學光電技術及系統教育部重點實驗室碩士研究生。