增壓直噴汽油機(jī)進(jìn)氣道開發(fā)研究

王勇杰

摘要：本文基于增壓直噴汽油機(jī)，對(duì)氣道展開開發(fā)與設(shè)計(jì)，對(duì)比兩種設(shè)計(jì)方案，研究氣道給缸內(nèi)流動(dòng)情況造成的影響，分析如何改善氣道性能，將遮蔽面設(shè)置到進(jìn)氣門上，使小升程情況下形成較高的滾流比，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣道將開發(fā)目標(biāo)，與活塞以及燃燒室形成良好的匹配效果，支持了汽油機(jī)的研發(fā)工作。

Abstract： Based on the pressurized direct injection gasoline engine， the paper analyzes the performance of the airway on the inlet door to form a high rolling ratio， realize the development goal of the inlet and form a good matching effect with the piston and combustion chamber， supporting the development of gasoline engine.

關(guān)鍵詞：增壓直噴汽油機(jī);進(jìn)氣道;開發(fā)

Key words： booster direct injection gasoline machine;inlet airway;development

中圖分類號(hào)：F407.471? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）20-0023-02

0? 引言

設(shè)計(jì)汽油機(jī)時(shí)，必須重視進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)，主要是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)直接影響設(shè)備的進(jìn)氣性能，如果設(shè)計(jì)出不合理的結(jié)構(gòu)，汽油機(jī)的后續(xù)使用也會(huì)受到影響。現(xiàn)根據(jù)對(duì)增壓直噴型汽油機(jī)的了解，研究與氣道開發(fā)相關(guān)的問(wèn)題。

1? 氣道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

汽油機(jī)的進(jìn)氣道主要會(huì)給缸中的滾流比與氣體流量帶去影響，在衡量汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性指標(biāo)時(shí)，往往需要考慮到滾流比。結(jié)合已有的汽油機(jī)相關(guān)研究可以了解到，進(jìn)氣道的滾流比較高時(shí)，缸內(nèi)的氣體流動(dòng)可被加強(qiáng)，提升混合油氣的質(zhì)量，點(diǎn)火時(shí)刻中的湍動(dòng)能將形成更高的強(qiáng)度，燃燒速度隨之加快，產(chǎn)生更加優(yōu)質(zhì)的燃燒相位。在對(duì)進(jìn)氣道部位的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析時(shí)，必須考慮可滾流比與流量系數(shù)，然而實(shí)際的設(shè)計(jì)中，滾流比與流量系數(shù)相互矛盾，由于影響進(jìn)氣量的主要因素之一是流量系數(shù)，因此不能將其設(shè)置得過(guò)低;開發(fā)進(jìn)氣道時(shí)，需要在滿足流量系數(shù)要求的條件下，將滾流比增加。大部分汽油機(jī)的進(jìn)氣道都有較高的滾流比，評(píng)估穩(wěn)態(tài)流動(dòng)水平時(shí)，需開展氣道試驗(yàn)，并模擬相關(guān)數(shù)值。設(shè)計(jì)直噴增壓型汽油機(jī)時(shí)，同樣需要重視進(jìn)氣道設(shè)計(jì)，使進(jìn)氣道擁有穩(wěn)定的性能。

當(dāng)前社會(huì)中，逐步重視環(huán)保問(wèn)題與能源危機(jī)，因此要強(qiáng)化燃油的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)減輕汽油機(jī)運(yùn)行中的污染程度，通過(guò)精細(xì)設(shè)計(jì)，形成合理的內(nèi)部構(gòu)造，如進(jìn)氣道等，可以強(qiáng)化汽油機(jī)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，改善瞬態(tài)響應(yīng)性能;如果運(yùn)用增壓裝置，能夠提升氣密度，解決動(dòng)力性方面的問(wèn)題。現(xiàn)結(jié)合進(jìn)氣道設(shè)計(jì)要求，對(duì)進(jìn)氣道展開設(shè)計(jì)，確保進(jìn)氣道能夠達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，滿足汽油機(jī)對(duì)進(jìn)氣道的使用需求。

2? 設(shè)計(jì)進(jìn)氣道方案

流量系數(shù)主要指空氣流量的實(shí)際數(shù)值與理論數(shù)值的比值，進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要考慮到進(jìn)氣門數(shù)量，空氣密度與氣門座圈封面的直徑最小值與壓差;平均流量系數(shù)由實(shí)際活塞速度、平均速度與曲軸轉(zhuǎn)角共同決定。當(dāng)氣門升程條件一定時(shí)，垂直缸徑的氣體角速度和發(fā)動(dòng)機(jī)角速度平均值之間的比值是滾流比，加大滾流比之后，燃燒效果能夠得到改善，發(fā)動(dòng)機(jī)也隨之形成更強(qiáng)的動(dòng)力，旋轉(zhuǎn)角速度的影響因素有速度場(chǎng)的實(shí)際單元數(shù)量、滾流軸線與單元之間的距離以及滾流軸線相對(duì)單元的具體角速度。

確定汽油機(jī)的性能開發(fā)目標(biāo)后，可進(jìn)行進(jìn)氣道開發(fā)，確定設(shè)備結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)，排量數(shù)值為1.996L，氣缸使用數(shù)量為4，選擇廢氣渦輪增壓這一進(jìn)氣方式，進(jìn)氣道類型為滾流型進(jìn)氣道，噴油方式屬于缸內(nèi)直噴，燃燒室結(jié)構(gòu)包括活塞頂淺坑型與缸蓋蓬頂型。進(jìn)氣口壓力較大，已經(jīng)超過(guò)環(huán)境壓力，利用壓氣機(jī)實(shí)現(xiàn)壓縮入缸內(nèi)，氣道的流量系數(shù)存在差異，進(jìn)氣量并無(wú)明顯差異。開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，首先要達(dá)到減少油耗的目標(biāo)，其次要考慮動(dòng)力性，采用高壓縮比與米勒循環(huán)的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)燃燒室系統(tǒng)的進(jìn)氣門時(shí)，將氣門遮蔽面設(shè)計(jì)到一側(cè)，使進(jìn)氣道處于氣門小升程條件也能夠形成更高的滾流比。

依照技術(shù)參數(shù)，確定性能目標(biāo)，設(shè)計(jì)出2種符合設(shè)計(jì)要求的進(jìn)氣道方案，方案中的入口部位截面形狀、氣門座、氣門與喉口刀具基本一致，但是2種方案選擇的切入角有顯著差異。在方案二中，氣道需要以平直的方式直接切入到燃燒室中，外切入與內(nèi)切入角度都是0°，這是從水平方向展開研究得出的結(jié)論，如果選擇豎直方向，方案一與方案二的上切入角基本一致，方案一具有更大的下切入角，方案二形成的下切入角比較小，因此進(jìn)氣道底部區(qū)域的曲面上有更加明顯的魚肚子形狀。兩種方案所用的燃燒室相同，進(jìn)氣門配備專門的氣門遮蔽面，進(jìn)氣門與遮蔽面之間并沒(méi)有形成過(guò)大的間隙，這一設(shè)計(jì)方式能夠?qū)⒄诒蚊嬉欢ㄉ虄?nèi)的氣體流動(dòng)適當(dāng)減弱。發(fā)動(dòng)機(jī)采取米勒循環(huán)，形成偏小的氣門升程。通過(guò)將遮蔽面應(yīng)用到燃燒室中，可增加滾流比的平均值。

3? 測(cè)試進(jìn)氣道

基于掌握三維速度場(chǎng)基本特征與進(jìn)行精準(zhǔn)性測(cè)試的需求，應(yīng)設(shè)計(jì)進(jìn)氣道實(shí)驗(yàn)，通過(guò)3D-PIV完成試驗(yàn)，明確滾流比與流量系數(shù)。氣道試驗(yàn)臺(tái)架上設(shè)置電腦，用于計(jì)算速度場(chǎng)，同時(shí)還是用空氣流量計(jì)、相機(jī)、激光器與缸蓋等，缸蓋底面設(shè)置的0.5倍缸頸處有滾流測(cè)量平面，是用玻璃材質(zhì)的鋼套，主要是為了便于查看粒子成像情況，測(cè)量手段為定壓差法，根據(jù)各個(gè)氣門升程中風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓差的精準(zhǔn)控制，風(fēng)機(jī)屬于離心式風(fēng)機(jī)，壓差數(shù)值是-2.5kPa。

使用的激光器屬于高能雙腔激光器，單脈沖能量可達(dá)到200mJ，相機(jī)為CCD相機(jī)，使用數(shù)量為2臺(tái);傳感器為壓差傳感器，測(cè)量范圍設(shè)置成-10到10kPa，使用量程設(shè)定成720kg/h的質(zhì)量流量計(jì)。制作氣道芯盒，2個(gè)芯盒具有相同的氣門座、氣門與燃燒室，通過(guò)膠圈實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃鋼套與芯盒的密封壓緊處理。當(dāng)氣門升程出現(xiàn)變化時(shí)，不同氣道對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)也發(fā)生變化，且變化趨勢(shì)具有一定的相似性，先快速增加，而后保持平緩。如果氣門升程在6mm以下，氣道具有同樣的流量系數(shù)，在小升程條件下，氣門開度決定流量系數(shù);如果氣門升程超過(guò)6mm，方案二的流量系數(shù)小于方案一，具體偏小3.7%左右，造成這一結(jié)果是因?yàn)榍腥虢谴嬖诓町悾啾确桨付桨敢恢性O(shè)計(jì)的喉口具有更大的截面面積，在升程較大的條件下，氣道喉口與流量系數(shù)之間存在正比關(guān)系。為了進(jìn)一步形成更高的測(cè)試精度，在多種氣門升程條件下，連續(xù)拍攝平面，次數(shù)為20次，計(jì)算速度場(chǎng)，進(jìn)行平均處理后，對(duì)有效流場(chǎng)進(jìn)行選取，均處于缸徑范圍中。試驗(yàn)流場(chǎng)的一個(gè)速度矢量可對(duì)應(yīng)1mm2左右，速度為來(lái)自于3精準(zhǔn)進(jìn)準(zhǔn)計(jì)算，程序提供豐富的使用功能，具體有批量處理數(shù)據(jù)、尋找滾流軸線、修正流場(chǎng)圓心以及修正相機(jī)布置角度等。

改變氣門升程，分析滾流比，不同氣道的實(shí)際滾流比變化存在相似性，當(dāng)氣門升程達(dá)到1mm處時(shí)，滾流比形成最大值，而后逐步減小，滾流比最小時(shí)對(duì)應(yīng)氣門升程為4mm時(shí)，經(jīng)過(guò)這一數(shù)值后，滾流比繼續(xù)增加，當(dāng)氣門升程處于5到7.5mm時(shí)，方案二中滾流比具有更快的增加速度。當(dāng)處于氣門小升程區(qū)間范圍內(nèi)，不同方案氣道滾流比基本能夠達(dá)到相當(dāng)?shù)某潭龋瑵L流增加到比較大的程度，在小升程的范圍區(qū)間中，燃燒室設(shè)置的遮蔽面會(huì)影響到滾流比，因?yàn)槠鋵?duì)氣流起到了一定的遮擋作用，可將此條件下的滾流比提升;氣門升程超過(guò)6mm時(shí)，方案二的滾流比產(chǎn)生了更明顯的提升效果，在20%到25%之間。如果繼續(xù)增加氣門升程，最終確定為9.79mm，在方案二中，滾流比為3.13。

進(jìn)氣道能夠?qū)饬鬟M(jìn)行的高速運(yùn)動(dòng)起到一定的引導(dǎo)作用，使缸中的流動(dòng)活動(dòng)能夠更富有規(guī)律性，不會(huì)顯得雜亂無(wú)章，氣流緊緊貼著缸壁，具體指左側(cè)也是排氣側(cè)的缸壁，以正向直接抵達(dá)缸中，流出時(shí)則采用反向流出，具體位置為進(jìn)氣側(cè)，反向流場(chǎng)的實(shí)際區(qū)域風(fēng)大，缸內(nèi)得以形成適合的滾流強(qiáng)度，缸內(nèi)的條件也因此而得到改善;與大升程條件中的速度場(chǎng)相比，方案二中速度場(chǎng)具有更加清晰明確的反向流場(chǎng)，同時(shí)也有更大的面積，因此可以基本確定，這一方案中的進(jìn)氣道處于缸中時(shí)形成的滾流具有更高的強(qiáng)度，這也是方案二的優(yōu)勢(shì)之處;正向流場(chǎng)的分布情況會(huì)受到來(lái)自于切入角的影響，在方案一中，正向流場(chǎng)有向逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的變動(dòng)取向，方案二則相反，變動(dòng)趨勢(shì)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn);氣門升程設(shè)置成2mm，遮蔽面造成影響，流場(chǎng)保持規(guī)則化的分布方式，反向與正向速度場(chǎng)具有相等的占比，更有助于形成符合預(yù)期的滾流。

4? 缸內(nèi)流量情況分析

圍繞進(jìn)氣道，研究缸內(nèi)的實(shí)際流動(dòng)情況，可以幫助確定活塞、燃燒室以及進(jìn)氣道是否能夠相互匹配，因此要掌握缸內(nèi)流動(dòng)受到進(jìn)氣道的具體影響。建設(shè)分析模型，確定缸內(nèi)的流動(dòng)情況，有效壓力平均數(shù)值是1.2MPa，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整為2250r/min。曲軸轉(zhuǎn)角設(shè)置成430°時(shí)，分析瞬態(tài)條件下，缸內(nèi)的滾流比變動(dòng)情況，噴霧會(huì)形成相應(yīng)影響，因此處于進(jìn)氣行程中時(shí)，滾流比保持較為緩慢的增長(zhǎng)速度，如果氣門升程形成最大值，滾流比處于瞬態(tài)且形成峰值，而后逐步減少，壓縮行程形成第二次峰值;如果在壓縮或者進(jìn)氣行程中，方案一的瞬態(tài)條件下的滾流比低于方案二，與前期測(cè)試結(jié)果基本一致，第二峰值比瞬態(tài)滾流比減少33%左右，在方案二中，活塞與燃燒室可形成更好的匹配效果，瞬態(tài)渦流比也得到加強(qiáng)。

調(diào)節(jié)曲軸轉(zhuǎn)角，使其達(dá)到450°，方案一的渦流比的絕對(duì)值比方案二大，處于壓縮末期階段時(shí)，渦流比下降約57%，因此可以確定活塞、燃燒室與進(jìn)氣道之間更加匹配，方案二更適合進(jìn)氣道開發(fā)工作。湍動(dòng)能的分布與大小受到滾流比的影響，且屬于直接的影響，此處的滾流比屬于缸中瞬態(tài)滾流比。調(diào)節(jié)曲軸轉(zhuǎn)角，進(jìn)入到710°時(shí)刻，分析湍動(dòng)能分布情況，方案二也具有更高的湍動(dòng)能，這些湍動(dòng)能以極為均勻的方式分布在進(jìn)氣管的火花塞周邊，點(diǎn)火操作后，有助于提升火焰的實(shí)際傳播速度。最終選擇方案二支持進(jìn)氣道開發(fā)活動(dòng)，為直噴增壓性汽油機(jī)的設(shè)計(jì)提供參照，設(shè)計(jì)出性能優(yōu)越的汽油機(jī)，解決汽油機(jī)中較為多見的問(wèn)題，提升汽油機(jī)的性能水平。

5? 結(jié)論

開發(fā)汽油機(jī)設(shè)備的進(jìn)氣道時(shí)，需要關(guān)注切入角，通過(guò)選擇符合設(shè)計(jì)要求的切入角來(lái)改善滾流比，同時(shí)控制流量系數(shù)維持一致，利用遮蔽面增加滾流比，改進(jìn)燃燒室的設(shè)計(jì)方式，形成具有一定分布規(guī)則的速度場(chǎng)。使用合理的設(shè)計(jì)方案，使進(jìn)氣道可以與活塞頂以及燃燒室形成較高的匹配度，增強(qiáng)湍動(dòng)能與瞬態(tài)滾流，完成汽油機(jī)的進(jìn)氣道部分的設(shè)計(jì)任務(wù)。在日后的設(shè)計(jì)與開發(fā)中，需繼續(xù)結(jié)合汽油機(jī)的使用需求，對(duì)已有的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化，改善汽油機(jī)使用效果。

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