《技术》闪电奖旗下原创技术频道，一日一更。

引言

这几年来，由于环境与能源的双重压力，稀薄燃烧技术开始受到越来越多的重视，这是因为稀薄燃烧不仅具有改善发动机经济性的潜力，同时，由于空气过量和燃烧温度较低的原因，其排放较普通不带尾气处理装置的发动机的排放要低。但是，发动机在稀燃状况下，又具有燃烧不稳定，循环变动大的特点，它又导致发动机油耗上升，HC排放恶化。发动机的进气充量运动之一一涡流运动是影响发动机性能的重要因素，它能够提高燃烧速率，改善发动机的性能，同时又是实现发动机稀薄燃烧的重要途径之一。

但是，发动机本身在不同转速条件下对涡流运动和流通系数的要求又各有侧重低速要求高涡流比，高速要求大流通系数。可变涡流进气结构就是针对发动机对气体运动和流通系数的不同要求而产生的，有些变进气结构已开始在产品发动机中应用。例如，丰田第三代稀薄燃烧发动机就采用变涡流进气系统，取得了良好的效果。

以上提到的变涡流结构都是在同时具有螺旋气道和直气道的发动机上进行的，并且阀片都是采用的转动式涡流阀，本文采用了作者设计的滑动式的可变涡流变进气结构。研究使用这种可变涡流进气结构之后发动机的稀薄燃烧特性，目的在于弄清楚不同涡流强度情况下，发动机燃油经济性和排放性能随空燃比的变化情况。

2

可变涡流结构及其进气特性

2．1可变涡流结构

该结构的主要工作原理是通过改变四气门发动机边气道的流通面积来实现进气涡流强度变化，简易结构如图1所示，箭头所指为阀片滑动方向。图中的I表示粗线条的部分，为滑动式阀片，阀片左端为阀体部分，右端为中空结构。当阀片向右移动时，阀体部分正好可以减小左边气道的流通面积；

阀片右端的中空结构是为了保证多缸机上阀片向左移动增加流通面积时，保证右边气道不被关闭。II表示四气门发动机的进气道；III表示缸盖表面。图形上方的数字代表阀片所在的不同位置。

2．2可变涡流进气特性

在进行发动机稀燃特性试验之前，先进行了可变涡流结构的稳态气道试验，以便进一步弄清楚发动机进气涡流特性对发动机稀燃特性可变涡流结构在阀片处于不同位置时的流动特性如表1所示。

从表1中可以看出，变进气结构的流通系数与平均流通系数基本成反比，流通系数增加，进气涡流比则减小，即涡流运动强度变弱；流通系数减小，进气涡流比增大，即涡流运动强度增强。阀片处于位置1时，两个进气道全部打开，涡流比为0，与原机相当。另外，从位置2、3和4处的滚流比可以看出，加上可变涡流结构之后，进气系统依然能够保持较强的滚流运动。

3

试验方案

由于稀薄燃烧主要用在部分负荷工况，并且发动机转速也不太高，因此，本文选取部分负荷、较低转速作为试验工况。文中涉及工况(负荷／转速)有：(0．2MPa、0．3MPa和0．4MPa)／(r／min、r／min)。试验过程中，主要通过调整节气门开度和喷油脉宽来实现空燃比的变化。发动机的油耗率和排放特性(包括NO、HC和CO)随空燃比的变化情况主要以不同涡流比和工况为对象来进行试验研究，通过选定不同涡流比和不同工况来测取发动机的燃油消耗率和排放特性。

4

试验结果

4．1不同负荷条件下的空燃比特性

图2是滑动阀片处于位置2，转速为时排放特性随空燃比变化的情况从图中可以看出，在空燃比从12到22之间变化时，在空燃比大于14．7以后，CO的排放始终保持在0．5％以内；HC排放在14到18的空燃比范围中最低，基本保持在ppm左右，这是因为当空燃比大于14．7时，混合气过浓，过量部分的燃油或分解、或直接随废气排出，导致HC排放有所增加；而当空燃比大于18以后，混合气处于较稀的状态，这时混合气的着火性能较差，容易出现失火现象，没有燃烧的燃料形成了大

量的HC排放。而对于NO来说，则是在13~17之间的空燃比空燃比范围内保持为最大值，这一点与HC排放的变化趋势正好相反。这可能是因为燃料完全燃烧较部分燃烧时的燃烧温度高，促进了NO的合成反应。另外，从图中还可以看出，CO和HC在0．2MPa、0．3MPa和0．4MPa的变化情况基本相同，这就是说，负荷对CO和HC排放的影响很小。但是，负荷对高排放区(A／F=)的NO排放却有较大影响，负荷增加，NO排放明显增加，这是因为大负荷的燃烧温度高所致。在空燃比大于17以后，负荷对NO排放的影响明显减弱，这是因为空燃比大于17以后混合气处于较稀的状态，在本文试验工况内，稀混合气的燃烧温度较低，不足以促进NO的合成。

图3是阀片处于位置2，转速为r／min时燃油经济性随空燃比的变化情况。从图中可以看出，在三种负荷情况下，15~19空燃比范围内的油耗率最低，在空燃比小于15或大于19以后，油耗率均明显升高。另外，从图中还可以看出，负荷对油耗率随空燃比的变化情况影响较大，随着负荷的增加，发动机的比油耗率明显降低，也就是发动机的燃油经济性明显提高。

4．2不同转速的空燃比特性

图4是发动机转速分别为r／min和r／min，阀片位于位置2时燃油经济性随空燃比变化情况。从图中可以看出，当空燃比小于17时，两种转速下的燃油经济性差别较小；当空燃比大于17以后，r／min的燃油经济性明显好于r／min，最低比油耗分别为g／kW·h、g／kW·h。图5是发动机转速分别为r／min和r／min，阀片位于位置3时燃油经济性随空燃比变化情况。从图中可以明显看出，r／min的燃油经济性要好于r／rain，最低油耗点的比油耗相差29g／kW·h，分别为g／kW·h、g／kW．h。这些说明，该可变涡流结构有利于改变低速工况的燃油经济性。

4．3不同阀片位置的空燃比特性

图6是发动机转速为r．min、负荷为0．4MPa时位置2、3的比油耗随空燃比的变化情况。从图中可以看出，位置2和3的最低油耗点基本都处于空燃比为16~20的范围内；同时在整个空燃比的变化范围内，位置2的比油耗一直高于位置3；位置2的最低比油耗为g／kW·h，位置3为g／kW·h，比位置2低4．4％。结合位置2、3的进气涡流比大小，说明涡流运动有利于提高稀薄燃烧的燃油经济性。

图7是发动机转速为r／min、负荷为0．4MPa时位置2、3的排放特性随空燃比的变化情况。从图中可以看出，阀片位置对发动机排放的影响不大，在A／F大于14．7以后，两个位置的CO排放基本都在0．5％以下，几乎没有差别；对HC排放来说，在14．的空燃比范围内都比较低，在空燃比小于14．7或大于19以后，HC皆略有上升，尤其在大于19以后，由于混合气过稀，燃烧过程恶化，导致未燃HC增加较多。对NO来说，位置2、3在空燃比的变化范围内，变化趋势基本相同

5

结论

本文主要研究了可变涡流结构对四气门发动机燃油经济性和排放特性的影响，文中分别讨论了发动机负荷、可变涡流阀片位置和发动机转速条件下的发动机性能，主要有如下结论：

(1)在稀薄燃烧情况下，发动机负荷大小对CO和HC排放的影响不大，CO的排放始终保持在0．5％以下，而HC排放则始终保持相似的变化趋势，并且相差不大。

(2)负荷对NO排放的影响主要表现在对13~17空燃比范围内NO排放的影响，负荷越大，NO排放越大；对空燃比小于13或大于17以后的NO排放影响较小。

(3)阀片位置对发动机NO、HC和CO排放的影响较小；对发动机的燃油经济性则存在一定影响，位置3的燃油经济性优于位置2，这主要是由于位置3的涡流运动强于位置2。

(4)稀薄燃烧时，涡流运动在不同转速条件下对发动机燃油经济性的影响情况不同，要更有利于改善低速条件下的燃油经济性。

猜你喜欢

王银娥：最低价中标？NO！

凯威斯：如何开一家发电机工厂？

杨新征：发电机组制造商的3种套路！

王静虎：发动机组行业"线人"痛诉六宗罪

黄安荣：资本的春天—发电行业国内并购

黄安荣：资本的春天—发电行业国际并购

2月11日

闪电奖

发电行业的奥斯卡

相信闪电的力量