进气涡流对汽油发动机燃烧的影响

作者:蒋宗跃 黄荣辉 文章来源:上汽通用五菱汽车股份有限公司 发布时间:2012-07-19
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PDA开和关时的油耗差

通过观察在改变四气门汽油发动机进气方式时燃烧室里产生的缸内涡流,了解进气涡流对发动机燃烧组织的影响。

通过进气涡流改善发动机燃效

缸内气流运动对汽油发动机燃油混合和燃烧过程有重要影响,而发动机进气道的流动特性在很大程度上决定了缸内的气流运动状况。在四气门汽油发动机上采用PDA控制阀系统,可根据发动机的不同转速和负荷,采用不同的进气方式改善发动机的缸内混合气涡流状态,从而改善发动机的燃烧效果。

四气门汽油发动机进气孔纵向分为两个通道,利用PDA控制阀安装在发动机的进气歧管内,由进气歧管负压和ECU控制PDA打开或关闭,以改变进气歧管中的进气方式。当PDA需要打开时,PDA执行器将进气歧管中的两个通往进气门的进气口中的一个堵住,进气通道由原来的两个变成了一个。通过改变进气方式,使进入气缸的混合气在进气口变小而速度变大,从而形成较大涡流,使进入燃烧室里的混合气混合更充分,燃烧更加迅速。当发动机负荷增大或高于某一转速运转时,由于需要进入气缸内的空气量增大,ECU根据此时发动机的转速和加速踏板信号等将发出指令让PDA关闭,此时进气道里又是两个通道一起工作,提高进气效率,以满足发动机输出大功率的要求。

试验方案

在发动机试验台架上,试验对象为一台直列4缸1.2 L四气门电喷汽油发动机,在发动机输出同样的转速转矩时,通过采用两种不同进气方式,测量发动机的进气量、油耗,以及发动机在相同转速和相等进气量时的点火提前角等。

从测量出的结果分析发动机在不同进气方式中(进气涡流强度不一样)发动机的燃烧情况以及发动机的性能方面的影响。

根据四气门进气发动机平均进气终了涡流不均匀度比Nt为:

式中, Nt是进气门的气体流动速度,单位为m/s; Vq是发动机气缸排量,单位为m3 ; Qt是通过进气道进入气缸的气体体积,单位为m3 。

由此可以得到进入气缸内的气体涡流系数Rt为:

式中,θ1、θ2分别为进气门开启和关闭对应的曲轴角度,单位为 oCA;r是曲轴半径,单位为m;L是连杆长度,单位为m。

从以上公式可以看出,进入进气歧管内的气体滚动强度主要与气体的流动速度有关。如果假设从进气门打开到进气门关闭之间进入气缸的气体是匀速流入,即Nt是一个常数,并且发动机转速和进入气缸的气体质量一定时,则公式②可简化为:

Rt=k×Nt

式中,k为常数,即气缸内气体涡流强度仅与进入气缸的气体流速有关。

根据流入气缸公式:

Qt= Nt×s×t

式中,s是进气歧管中最小地方的面积;t是进气门从开启到关闭的时间。

可知,进入气缸气体的最大流速与进气口的面积成反比。所以,当发动机转速固定时,并且进气量相同时在PDA打开时进入气缸内的混合气将比PDA关闭时产生的进气涡流要大2倍左右。此时的进气涡流将会对发动机的燃烧有较大的影响。

试验结果分析

表1和表2是B12 1.X M150发动在实际试验中PDA打开和关闭时的结果。从表1中可以看出,当输出相同的转矩时,PDA ON状态比PDA OFF状态需要的进气量少,在1200r/min、输出转矩为19.3 Nm时,PDA ON状态的进气量为95.5 mg/str,而PDA OFF状态需要的进气量却达到了107 mg/str。但随着转矩的增大,两者之间的差距逐渐减小,在转速1200r/min、转矩80 Nm时,PDA ON需要的进气量为278 mg/str,而PDA OFF需要的进气量为277 mg/str,比PDA ON需要的进气量要少。由于发出同样的转矩时发动机需要的进气量减少了,发动机的燃油消耗会跟着降低,这直接提高了发动机的燃油经济性。

另外,从表2中的点火提前角上看,将点火提前角调到让缸内混合气50%放热率在曲轴转角在上止点后8 oCA,从中可以发现在同样转速和同样进气量下,PDA ON的点火提前角比PDA OFF时要小,以转速为1600r/min,MAF分别为90、120、150和180时的这几个点中可以看出PDA ON时的点火提前角分别为20.2oCA、16.8oCA、13.8oCA和12.3oCA,而PDA OFF点火提前角分别为24.3oCA、18.7oCA、16.5oCA、14.7oCA和12.8oCA。这是由于当燃烧室内的混合气产生的涡流比较大时,对火焰传播速度会加快,缸内混合气的燃烧更加迅速,从而需要的点火提前会相对减小。

图为PDA OFF时所测得的万有特性减去PDA ON时所测得的万有特性油耗。可以看出,在低转速和小转矩时,PDA ON的油耗明显比PDA OFF的油耗要低,在转矩小于40 Nm、转速低于1400r/min时在PDA ON状态发动机的千瓦时的功所需要消耗的燃油比PDA OFF少12 g。当转矩从30~50 Nm,转速从1200~1700r/min,PDA ON时的油耗比PDA OFF的油耗差距逐渐减小。这是由于当转矩和转速增大时,需要进入燃烧室内的混合气量要加大,此时PDA的打开使进气口变小反而阻碍了混合气进入气缸内,使泵气损失增大。当PDA开启所造成的泵气损失功与PDA打开所形成的进气涡流增大而提高的热效率量相当时,打开PDA和关闭PDA对发动机输出的有用功将会一样,即千瓦时油耗量一样。如果继续提高发动机转速或加大油门,此时由PDA打开而产生的泵气损失阻力将大于打开所带来增大进气涡流而获得的部分有效功,此时打开PDA的油耗将会比关闭PDA时的油耗还要大。

结语

有效地组织进气涡流使燃烧室内的进气涡流增大,又不增加进气阻力的情况下就可以较好地改善燃烧室内的混合气的燃烧,从而提高燃烧热效率和燃油经济性,改善发动机的性能。

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