气道内喷射压缩空气以改变缸内涡流强度的研究

李伟牛薪淳杜宏飞佟静峰张彧宁

（中国第一汽车股份有限公司技术中心）

气道内喷射压缩空气以改变缸内涡流强度的研究

李伟牛薪淳杜宏飞佟静峰张彧宁

（中国第一汽车股份有限公司技术中心）

以某款柴油机缸盖进气道为研究对象，在稳流气道试验台上将一定压力的压缩空气喷入缸盖进气道，测量进气道入口不同截面喷射位置缸内的涡流强度。并将此装置应用在单缸机上，借助缸内高温内窥镜技术研究不同涡流强度下对缸内燃烧过程的影响。结果表明，螺旋进气道喷射位置的变化对缸内涡流影响不敏感，而切向进气道不同入口位置的流速变化对缸内涡流强度影响显著。

1 前言

直喷柴油机缸内涡流强度的控制对于降低排放、提高动力性有十分必要的作用[1]。由于柴油机实际工作过程中缸内的空气运动是瞬态的，而且气流变化极其复杂，目前还没有有效的方法和手段进行定量测量。为满足柴油机的性能指标，设计师们一直在进行改变进气涡流强度的研究，以求在所有转速范围内均可使空气和燃油的混合处于最佳状态，以改善燃油消耗和排放[2]。如果能够通过某种方法实现任意改变涡流比，则对于某一特定的燃烧室和喷油系统，针对不同排放或经济性要求，就会对应有一个最佳的涡流比，在进行新机型开发时就可以根据设计的燃烧室方案较快地确定进气涡流强度。

2 涡流比定义

采用通过向进气道内喷射高压空气的方法来研究缸内涡流强度的变化。喷射气流会增加缸内总的进气量，而缸内空气运动强度又与进气流量有关。通常情况下，在稳态进气道试验中是通过测量缸内空气旋转扭矩来计算涡流比的，因此计算涡流比的公式中包含有进气流量这一参数。为了消除进气流量对涡流比计算的影响，需要对涡流比计算公式进行换算。

根据Thien G.E.和Pischinger F.推导出的气道稳流涡流比的计算公式[3，4]如下：

式中，M为缸内气流旋转扭矩；S为发动机行程；Q为进气体积流量；ρ为空气密度。

缸内进气速度矢量分布如图1所示。

从图1可以看出，由进气道进入缸内的气流旋转向下流动，主流速度v可以分解为沿轴向方向的速度vA和沿切向方向的速度vT，速度vT与主速度v之间的夹角为α。由此可以得到轴向速度vA与切向速度vT之间的关系：

而缸内空气旋转扭矩的计算公式为：

式中，r为气缸半径。

流体力学中流动气体的体积流量计算公式为：

将公式（2）～公式（4）代入公式（1）可以得出涡流比RS的另一种表示方式：

式中，B为气缸直径。

流量系数计算公式：

式中，Qreal是实际体积流量，m3/s；Qth是理论体积流量，m3/s。

从公式（5）中可以看出，对于某一确定的柴油机，缸径B和行程S是定值，则该柴油机的缸内涡流比只与切向气流和主流气流之间的夹角有关，即涡流比的计算与进入缸内的体积流量无关。如果改变气流进入缸内的倾角，就可以改变涡流比。

改变气流倾角的方法有2种，一种是改变进气道或进气门、进气座圈的形状，从而使进入缸内的气流倾角相应改变；另一种是改变进气道流通截面上的速度分布，即通过改变进气道流通截面上某一区域处垂直于该截面的气体流速，使流出气门不同方位的流速发生改变，从而改变进入气缸内气流的倾角。

3 试验方案

试验方案是在进气道入口截面处加装一个喷嘴，通过喷嘴向进气道内喷入一定流速的高压空气。此外，可以通过改变喷嘴在气道入口截面上的不同位置而改变进气道内气流的流向，从而得到缸内不同强度的旋转气流，进而实现在缸内由低到高多种不同涡流比方案的变化。

首先在稳态气道试验台上进行不同流速、不同喷嘴位置的缸内涡流测量，确定不同涡流比对应的压缩空气压力（或空气流速）及喷嘴位置之间的关系，为柴油机性能试验提供不同涡流比方案。然后在发动机台架试验台上，针对某一特定形状的燃烧室，通过不断改变涡流强度，结合性能数据，找到适应此燃烧室的最佳涡流强度。此时喷油系统的配置保持不变。

试验在一排量为8.6 L柴油机缸盖上进行，试验装置的布置和安装如图2所示。缸盖上的进气道设计为一个螺旋进气道和一个切向进气道，彼此独立。另外，进气箱与缸盖为一体设计，对安装控制板和喷嘴十分有利。

将缸盖进气箱外侧铣出一个长方形通孔并用一块有机玻璃板密封固定，同时在有机玻璃板上对应每个进气道入口分别加工足够大小的窗口。针对两个进气道入口尺寸的不同而设计两块控制板，控制板上分别加工喷嘴固定孔，螺旋进气道对应的控制板上布置8个固定喷嘴的螺栓孔，切向进气道对应的控制板上布置6个固定喷嘴的螺栓孔，从而可以基本覆盖进气道入口截面上的每个敏感位置。将控制板固定在有机玻璃板上，喷嘴固定在控制板相应的孔上，喷嘴通过胶管与压缩空气连接，喷嘴内径为5 mm。还安装有3通管件、压力传感器座和控制阀门，其中3通管件将压缩空气分成两部分，可实现同时向两个气道喷入压缩空气；压力传感器座上安装有压力传感器和显示仪表，用于显示管路内的空气压力；通过改变控制阀门的开度来控制管路内的空气压力，并维持稳定。

4 稳流试验测量

试验是在以该款柴油机缸盖为基础而改造的单缸机缸盖上进行的，与气道测量相关的参数见表1。

表1 机型基本试验参数

试验压差设定为4 kPa，气门升程按2mm、4mm、6 mm、8 mm、10 mm、11 mm、12 mm、13 mm分别设定。压缩空气恒定压力为0.77MPa，试验过程中所有方案下喷嘴前静压都保持在0.4 MPa，但在其中一个方案中进行设定两种静压（0.4 MPa、0.5 MPa）条件下的对比试验。

图3是压缩空气喷嘴在两个进气道入口截面处的位置和编号。首先进行单喷嘴在各位置的试验，然后根据试验结果选出螺旋进气道入口截面上各位置中涡流比最高点和最低点，再选出切向进气道入口截面上涡流比最高点和最低点，以进行交叉组合试验。

对原始缸盖进气道的流通能力进行测量，其涡流强度较高，涡流比Rs=2.19，流量系数Cf=0.307。将喷嘴分别单独安装在螺旋进气道入口和切向进气道入口截面各点，并向气道内喷入静压为0.4 MPa的压缩空气，流动稳定后，记录各个气门升程时的流量系数和涡流比。不同喷嘴位置流量系数和涡流比测量结果如图4和图5所示。

从图5中可以看出，安装喷嘴后涡流比的变化较明显，#1～#8安装在螺旋进气道上，其中#8涡流比最低（Rs=1.643），与原机相比降低幅度为24.98%；#9～#14安装在切向进气道上，各点涡流比增加明显，其中#14涡流比最高（Rs=2.521），与原机相比提高了15.11%。

根据气道稳流试验结果选择4个不同涡流强度的方案，在单缸机上利用内窥镜光学测量系统研究不同涡流强度下缸内燃烧状态的变化。最终选择的点为#6、#8、#11和#14。因为单缸机试验台上能实现的增压压力范围在0.12～0.16 MPa之间，因此在稳流试验台上分别测量4个点在喷射压力为0.12 MPa、0.14 MPa和0.16 MPa时缸内流通能力和涡流强度的变化，结果如图6和图7所示。

从图6和图7中可以看出，喷射压力的变化对进气流量系数和涡流比的影响很小，完全可以忽略不计，因此根据0.4 MPa进气压力下选择的4个点完全具有代表性。

5 单缸机燃烧光学测量

该套试验装置不但在稳流试验台上容易实现，在单缸机试验台上也不需要任何调整即可进行可变涡流的燃烧性能研究。试验过程中喷油参数、进气条件不变，只改变喷嘴所在位置，通过内窥镜光学测量系统研究不同涡流强度下对缸内火焰扩展状态和排放物Soot、NOx生成的影响。选择涡流比最小（Rs= 1.643）和最大（Rs=2.521）的两个点（#8和#14）进行对比试验，试验进气压力为135 kPa，轨压为65 MPa，单缸机燃烧试验两种涡流比方案对比时不同放热率对应的曲轴转角结果见表2。

表2 涡流比试验燃烧数据

从表2可以看出，相同爆发压力条件下，不同涡流强度时的5%放热、10%放热、50%放热和90%放热对应的持续期（换算成曲轴转角）几乎一致，说明涡流强度的变化对热效率影响甚微。

图8和图9分别为Rs=1.643和Rs=2.521时缸内火焰状态。

从图8和图9不同涡流比下的影像数据可以看出，涡流比增大，燃烧始点、燃烧持续期基本不变，与热力学数据基本吻合。两种涡流比的影像数据中，在上止点后1°到上止点后8°的燃烧阶段，可明显观察到左侧和右侧的两束火焰均向左方移动。随着涡流比增大，火焰随着涡流方向移动，改变了火焰形态的发展，也影响了缸内不同区域温度的分布形态[5]。

6 结束语

稳流气道试验证明，通过向进气道内喷入一定压力的压缩空气，只需改变喷嘴的安装位置即可在一定范围内获得多种强度的缸内涡流比。

从试验结果中可以看出，螺旋进气道入口截面上各点进气流速发生变化对缸内涡流强度变化的影响不明显，而切向进气道入口截面上进气流速的变化对缸内涡流强度的影响十分明显，说明切向进气道主要以气流流动方向来控制缸内涡流强度。

不同涡流强度对燃烧始点、燃烧持续期影响甚微，但会显著改变缸内火焰的分布与形态发展，同时也对缸内温度场的分布状态产生影响。

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.应用变涡流系统改善柴油机性能.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.柴油单缸机燃烧过程的可视化研究：[硕士论文].长春：吉林大学，2012.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为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

柴油机进气道压缩空气可变涡流

U464

：A文献标识码：1000-3703（2014）02-0024-04