发动机滚流比分析与研究

李炳男　王义夫　于洪鑫　何永超（长城汽车股份有限公司技术中心河北省汽车工程技术研究中心，保定071000）



发动机滚流比分析与研究

李炳男王义夫于洪鑫何永超
（长城汽车股份有限公司技术中心河北省汽车工程技术研究中心，保定071000）

【摘要】通过对比3种滚流比状态下的性能数据，研究滚流比对PFI发动机性能影响的规律。通过对比不同滚流比下的油耗、扭矩、排放数据可知，增大滚流比可以改善发动机中高负荷的燃烧速度；高滚流比明显增加了低速段外特性扭矩，同时可以降低中高负荷油耗率，相应THC排放也有所降低；对于滚流比较小的PFI发动机，可以适当加大滚流比以提高性能及降低油耗。

主题词:发动机滚流比性能

1　前言

发动机气缸内的气体流动对发动机的燃烧过程及排放特性有着重要的影响作用。随着人们对动力性和燃油经济性需求的提高，发动机强化程度越来越高，高压缩比、高充气量燃烧系统已成为当今汽油发动机主流技术方向[1]。

滚流是发动机进气过程中形成的绕气缸轴线垂直旋转的有组织的空气旋流。滚流在压缩过程中其动量衰减较少，并可保存在压缩行程末期，当活塞接近于上止点时，大尺度的滚流将破裂成众多小尺度的涡流，使湍流强度和湍流动能增加，有利于提高火焰传播速度，改善性能[2]。

合理的滚流可以增加燃烧室内油气混合气的湍流强度，改善燃烧状况，达到提升发动机性能和降低油耗的作用，已经成为发动机重点研究内容。

2　发动机参数及设备

2.1发动机参数

采用1.5T PFI发动机，配合不同滚流比缸盖进行流道选型试验，进而研究滚流比对发动机性能的影响过程。该发动机具体参数如表1所列。由于PFI发动机不能像GDI发动机一样通过2次喷射降低缸内温度，其滚流比较小，一般在0.4～1.0之间，故本次试验对比的缸盖滚流比分别为0.44、0.77和1.00。

表1发动机具体参数

图1为各个滚流比缸盖下的流量系数。可知，3款缸盖基本一致。

图1　流量系数对比

2.2台架布置及相关设备

台架布置如图2所示。主要设备包括：电力测功机、燃烧分析仪、HORIBA排放柜、ES630、INCA等。发动机采用机油外循环、冷却水外循环控制温度。

图2　台架布置示意

3　试验方法

在进行滚流比选型试验过程中，仅更换不同滚流比的缸盖进行选型试验，而其它部件（凸轮轴、增压器、缸体等）是一致的，以保证各个方案最终结果的不同是由滚流比的差异导致的。选型过程中，其它参数的控制原则如表2所列，其中AI50为INDICOM通过实时缸压计算出的燃料燃烧50%时所对应的曲轴转角，该值反应了缸内燃料燃烧速度的快慢。

表2各变量控制原则

试验完成后，综合性能、油耗、排放、标定数据MAP平顺性、排气温度等，确定最优VVT、点火角、空燃比，并进行3种状态滚流比对比研究工作。主要对比3种滚流比缸盖下的外特性及2 000 r/min负荷特性的性能及排放，以研究不同滚流比对发动机的影响。

4　试验结果

4.1外特性对比

图3、图4为各滚流比下外特性性能、燃油消耗率及空燃比的对比状况。

图3　各滚流比下外特性性能及燃油消耗率对比

动力性方面，1.00滚流比扭矩最大，0.44滚流比在1 700 r/min以上转速段性能与0.77基本一致（通过数据可以看出，该转速段0.44滚流比较0.77滚流比扭矩高2～3 N·m，鉴于测功机本身精度及INCA数据操作偏差，可以认为两款滚流比性能基本一致），但在1 000～1 700 r/min低速段，1.00滚流比缸盖扭矩优势明显，其中1 500 r/min优势最明显，较0.44滚流比扭矩提升17.8%，较0.77滚流比扭矩提升6.1%。即1.00滚流比性能最优，0.44滚流比最差，在低速段该趋势最为明显。

图4　各滚流比下λ对比

经济性方面，在中高转速段（1 700～4 000 r/min），1.00滚流比油耗最优（个别工况下，1.00滚流比最多能够减少0.44滚流比10.6%油耗，减少0.77滚流比6%油耗），0.44滚流比最差。该结果与图4空燃比对比结果一致。

图5、图6为各滚流比下的最优VVT角度及点火提前角控制参数对比。

图5　最优VVT角度对比

图6　最优点火提前角对比

由图5可以看出，各滚流比选出的最优VVT角度基本一致，即滚流比的更改对最优VVT的选择影响较小。

由图6可以看出，0.44滚流比点火提前角最小，1.00 与0.77滚流比点火提前角一致。可见，滚流比的变化对发动机燃烧状况影响较大。

滚流比的提高增加了湍流强度，火焰传播速度加快，持续燃烧期缩短，放热率提高，进而改善燃烧过程，提高发动机动力性[3]。图7～图9为各燃烧参数对比情况，结合点火提前角进一步对各滚流比下的燃烧状况进行分析研究。

由图7可以看出，1.00滚流比燃烧速度明显快于0.44和0.77滚流比，0.77和0.44滚流比燃烧速度相差不大，0.77滚流比略有优势。该结果与图8速燃期结果一致。

有效热效率是衡量发动机经济性的重要指标，表征燃料燃烧热量中转化为有用功的百分比，有效热效率高也说明燃烧速度快、燃烧效率好。由图9可以看出，在1 700～4 000 r/min范围内，1.00滚流比有效热效率明显高于其它两款滚流比，0.77滚流比略优于0.44滚流比，该结果与燃油消耗率、AI50和速燃期趋势一致。

4.2负荷特性对比

选取整车常用的2 000 r/min进行负荷特性选点工作，图10～图12为选取最优的各负荷特性对比情况。由图10～图12可知，在中低负荷区域，各个滚流比下的燃油消耗率、排放基本一致，但在中高负荷区域，大滚流比缸盖优势逐渐显现，1.00滚流比最多能够减少14%的油耗率，同时由于该区域燃烧状况好，其碳氢排放也相应较少。由于1.00滚流比在中高负荷燃烧状况好、空燃比较大，相对氧浓度较高，在高温、富氧环境下NOx较多。

图1　02 000 r/min负荷特性燃油消耗率对比

图1　12 000 r/min负荷特性THC对比

图1　22 000 r/min负荷特性NOx对比

5　结束语

PFI发动机滚流比一般较小（1.00左右），在流量系数不变的前提下，对比研究了不同滚流比对发动机性能的影响过程。结果表明，滚流比对发动机最优VVT组合基本没有影响；随着滚流比的增加，发动机扭矩、油耗方面优势逐渐显现，且燃烧速度也逐渐加快；滚流比对低速段（1 000～1 700 r/min）发动机扭矩的影响比较明显（1.00滚流比最多能提升0.44滚流比17.8%扭矩），对中速段（2 000～4 000 r/min）燃油消耗率的降低非常明显（1.00滚流比最多降低14%燃油消耗率）。

参考文献

1John B Heywood.Trends in performance characteristics of modern automobile SI and diesel engines.SAE Paper 2009.

2周保龙.内燃机学.北京:机械工业出版社,2010.

3许振忠.滚流对火花塞点火式发动机性能的影响.汽车工程,2001,23（4）:247～251.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2016年1月1日。

图7　AI50对比

图8　速燃期对比

图9　有效热效率对比

Analysis and Research on Engine Tumble Ratio

Li Bingnan,Wang Yifu,Yu Hongxin,He Yongchao
（R&D Center of Great Wall Motors Company,Automobile Engineering Technology Center of Hebei,Baoding 071000）

【Abstract】By comparing performance data under three tumble ratios,this paper compares the influence rule of tumble ratio on PFI engine performance.We know by comparing fuel consumption,torque and emission that a higher tumble ratio can improve combustion velocity at the mid-to-high load area.And higher tumble ratio can obviously increase the external characteristic torque at low speed,and it can also decrease the fuel consumption and THC emission at the midto-high load area.Increasing tumble ratio appropriately is good for PFI engine to improve engine performance and reduce fuel consumption.

Key words:Engine,Tumble ratio,Performance

中图分类号:U464.1

文献标识码:A

文章编号:1000-3703（2016）03-0049-03