换气与压缩过程对汽油机燃烧特性的影响研究

刘亚奇， 刘刚， 高定伟， 李春芳， 李东辉

(1. 长城汽车股份有限公司技术中心， 河北 保定 071000； 2. 河北省汽车工程技术研究中心， 河北 保定 071000)



换气与压缩过程对汽油机燃烧特性的影响研究

刘亚奇1,2， 刘刚1,2， 高定伟1,2， 李春芳1,2， 李东辉1,2

(1. 长城汽车股份有限公司技术中心， 河北 保定 071000； 2. 河北省汽车工程技术研究中心， 河北 保定 071000)

针对增压气道喷射汽油机进行了发动机换气与压缩过程对燃烧特性的影响研究，对比了两种状态下的气门升程与配气正时，基于发动机试验台架测试数据，重点分析了发动机动力性、经济性和燃烧特性。试验数据表明了配气相位的改变对燃烧有较大的影响，可使燃烧效率大幅度提高，爆震倾向减小。同时基于AVL-fire软件进行发动机进气与压缩过程三维CFD分析，分析结果表明：对燃烧特性的影响不能仅靠瞬态滚流比和缸内平均湍动能进行判断，真正影响燃烧的是火花塞附近湍动能的变化，即发动机换气与压缩过程对燃烧特性的影响来自压缩上止点火花塞附近的湍动能。

涡轮增压； 汽油机； 配气正时； 燃烧过程； 瞬时滚流比； 湍动能

能源短缺与环境污染是21世纪汽车工业面临的主要问题[1-2]，在发动机不断集成化、小型化提高功率密度的同时，如何有效提高发动机燃烧效率是值得关注的焦点之一。针对发动机燃烧效率提高的研究，往往将精力放在气道与燃烧室的设计过程中，大部分学者对发动机换气的研究与泵气损失联系在一起[3]，尽管缸内瞬时气流温度可以与CFD作对应比较[4]，却忽略了换气过程与气体压缩过程共同对燃烧特性的影响。本研究针对增压气道喷射发动机的换气与气体压缩过程，通过研究发动机燃烧过程试验数据，引入缸内瞬态气体流动的CFD分析[5-8]，找出换气与气体压缩过程对燃烧的影响关系，为气门升程的优化设计提供依据。

1 试验设备及热力学测试内容

试验系统见图1。试验系统主要包括AVL电涡流测功机、IndiModul 621燃烧分析仪、AVL 439烟度计、HORIBA排放分析仪、增压中冷发动机和电控系统等。主要测试数据包括发动机性能和燃烧数据、中冷前后温度和压力、涡轮机前后温度和压力、三元催化器温度等。

研究采用1.5 L涡轮增压气道喷射汽油发动机，该款汽油机的主要技术规格见表1。该款发动机具有较高的标定功率和低速扭矩，较好的燃油经济性以及本体紧凑、强度高等特点。为了达到高性能设计目标，降低燃油消耗，发动机采用了进气VVT。

表1 发动机主要技术规格

2 试验结果与数据分析

本研究的换气过程变化主要由两种状态的气门升程曲线和配气相位改变来确定[9]，其气门升程与配气相位的关系见图2。由图可知：状态2的方案无论进气还是排气，其开启持续期与最大气门升程均大于状态1；状态1的进排气重叠期小于状态2的重叠期。

依据以上两种状态的配气方案，试验过程中对两种状态的进气气门开启角与关闭角进行对比，结果见表2，表中数据为状态2与状态1试验结果的差值。分析整体变化趋势，状态2进气关闭均滞后，

在2 000 r/min时滞后角最大，滞后38°曲轴转角；在1 500 r/min与5 600 r/min时，状态1进气开启比状态2提前7°曲轴转角。分析进气持续期的改变量可知，状态2持续期比状态1持续期长30°曲轴转角，原因是两种状态的气门升程曲线不变，故各转速的气门开启持续期差值不变。本研究通过气门升程曲线与配气相位的改变，对各个转速进行热力学开发试验，并进行试验结果分析。

气门升程与配气相位不一致，导致换气过程存在较大的差别，故对两种状态下发动机扭矩、燃油消耗率、点火角、θCA50(已燃50%对应的曲轴转角)、特殊转速放热规律等进行分析。如图3所示，对状态1与状态2的扭矩作差值对比，由扭矩变化率可知，状态2在低速时动力性有下降趋势，最大下降20%。由图4所示的进气量变化规律可知，由于气门升程与配气相位的改变，状态2在低速的进气量明显小于状态1，对应进气量下降了25%，发动机低速进气量的改变直接决定了动力性能的下降。进一步分析扭矩与进气量的变化规律，状态2在中高速时扭矩均有所升高，但此时进气量均有减小的趋势，这主要是因为状态2燃烧过程变好所致，该燃烧变化在图5和图6中均有所反映。

表2 发动机不同配气状态下气门开启、关闭改变量

如图5所示，在整个转速变化范围内状态2燃油消耗均有降低的趋势，最大降低18%。燃油消耗变化的原因，一方面是因为燃烧变化(如图7所示的已燃50%质量分数对应的曲轴转角整体提前)导致热效率升高，另一方面是因为在中高速时燃烧效率的变化导致排温降低，不需要加浓燃油混合气[10]。如图6所示，整个转速范围发动机点火角均有提前的趋势，特别是低速时变化更明显，最大提前12°曲轴转角，这是因为低速时进气量下降较多，爆震倾向减小;中高速点火角提前幅度较小，原因是进气量变化率较小(见图4)。

分析图7和图6，已燃50%质量分数对应的曲轴转角与点火角在整个转速范围具有一致的提前趋势，θCA50最大提前22°曲轴转角，出现在1 200 r/min时，最小提前4°曲轴转角，出现在3 000 r/min时。θCA50代表燃烧前期的快慢程度，它的提前预示着爆震倾向有所降低且最高燃烧压力更接近理想位置[9]，燃烧热效率将得到提升。

为进一步对比燃烧的变化，考虑进气量变化率对燃烧的影响，选择进气量变化率较小的转速1 700 r/min和5 600 r/min，对比燃料的热释放率。如图8和图9所示，状态2的热释放率相位靠前，热释放较快，这与θCA50的变化规律是一致的。同时对比分析图8和图9，1 700 r/min时整体热释放较晚，这是因为低速时爆震更容易发生。总之，气门开启与关闭状态的不同导致了状态2的燃烧规律明显较优。

3 热力学过程分析与仿真分析

3.1 换气与压缩过程示功图分析

为有效分析换气与压缩过程对燃烧特性的影响，首先分析两种状态下示功图的变化。如图10与图11所示，尽管状态1和状态2在1 700 r/min和5 600 r/min时的进气量变化均较小，但由于状态2比状态1热释放更快，因此状态2的最高燃烧压力提高；1 700 r/min时热释放整体较5 600 r/min时滞后，故1 700 r/min时两种状态最高燃烧压力出现的位置变化较明显。

3.2 压缩过程气流瞬态CFD分析

基于以上试验数据分析结果，应用商用CFD软件对1 700 r/min与5 600 r/min时压缩过程作瞬态分析。该分析模型的核心为三维进气道和燃烧室数学模型，以及一维瞬态进气状态边界，分析结果可靠性较高。如图12所示，由于状态2的最大气门升程较大，故在450°曲轴转角附近的滚流比也较大，同时状态2的进气关闭角滞后，在进气活塞下止点附近，其滚流比整体上高于状态1；在650°曲轴转角附近状态2的滚流比是状态1的2倍。如图13所示，从整体上看，气门刚打开时进气气流速度最大，气流的紊乱程度最大，湍动能最大；随着气门的逐渐打开，气流速度下降，但在450°曲轴转角附近气门开启最大且活塞向下速度最大，进气气流又出现峰值，故其湍动能出现小的峰值；随后由于进气门逐渐关闭和活塞上行压缩，进气产生的涡旋尽管可以保持大量动能，但宏观滚流的动能逐渐衰减为微观湍流的湍动能，该湍动能增加了燃烧速度，提高了燃烧品质[11]。从局部看，在450°曲轴转角以后状态2的湍动能好于状态1，但其变化量并不大，尤其在压缩上止点附近，两者的湍动能几乎一致。这是因为尽管较大的滚流比能够体现缸内部分区域混合气的流动强弱，但湍动能是缸内平均气流紊乱程度的体现；随着活塞向上止点运动，气流在缸内很难始终保持，故在压缩上止点附近两种状态的湍动能变化不明显。

对活塞压缩上止点的缸内湍动能作进一步研究，结果见图14。在压缩上止点时火花塞附近状态2的湍动能明显高于状态1，湍动能的高低会影响点火滞燃期以及燃烧速率，从图6可看出，1 700 r/min时点火角差值为2°曲轴转角，而图7中θCA50的差值增大到了7°曲轴转角，这印证了增大火花塞附近湍动能的优点。状态2活塞边缘处湍动能较小，两种状态的平均湍动能差距不明显，由此推测，火花塞附近湍动能的变化才是真正影响燃烧变化的原因。从气流速度分析，状态2火花塞附近气流速度明显高于状态1。从温度场看，两种状态下火花塞附近温度是相似的。

如图15所示，与1 700 r/min时类似，5 600 r/min时两种状态450°曲轴转角附近的滚流比均最大，同时状态2的进气关闭角滞后，在进气活塞下止点附近，其滚流比整体上高于状态1；在650°曲轴转角附近两种状态的滚流比均出现峰值，这是因为在该位置活塞运动速度最大。如图16所示，与1 700 r/min时瞬态湍动能趋势不一致，5 600 r/min在450°曲轴转角以后状态1的湍动能整体上好于状态2，但在压缩上止点附近，两者的湍动能又几乎一致；这是因为滚流比体现了缸内部分区域缸筒轴线方向的混合气运动形状与速度，但平均湍动能是整个缸内气流紊乱程度的体现，故滚流比不能真正反映缸内平均湍动能的变化情况。随着活塞向上止点运动，滚流比较强的状态2其轴向气流逐渐变得紊乱，形成较强的湍动能，故在压缩上止点附近，两种状态的缸内平均湍动能差距较小。

如图17所示，在压缩上止点火花塞附近状态2的湍动能明显高于状态1，由上文分析可知，状态2的燃烧优于状态1，这与1 700 r/min时的现象类似。同时状态2活塞边缘处湍动能较小，故两种状态的平均湍动能差距较小，从而再次说明火花塞附近湍动能的变化才是真正影响燃烧变化的原因，而滚流比和缸内平均湍动能不能说明对燃烧的绝对影响关系。从气流速度分析，火花塞附近状态2的气流速度高于状态1。由图2可知，状态2的排气门关闭更滞后，即状态2做功更充分，导致进气开始阶段状态2缸内温度较状态1低，同时因两种状态的进气量及进气过程相当，故在压缩上止点时状态2火花塞附近的温度较低，低于状态1约30 ℃。因此状态2燃烧变好，与缸内温度无关。

4 结束语

研究结果表明，发动机换气与压缩过程对燃烧特性有很大的影响，这对气门升程曲线的优化有很大的参考意义。对于不同的气门升程与配气方案，进气量决定着发动机低速性能；从试验数据分析可知，配气相位的改变对燃烧有较大的影响，较滞后的进气关闭角使燃烧效率大幅度提高，爆震倾向减小，同时排气温度降低，促使燃油消耗率明显降低。

通过发动机进气与压缩过程的三维CFD分析可知，尽管换气过程瞬态滚流比与湍动能发生较大改变，但不同转速下湍动能趋势不一致，且进气压力影响后期的压缩过程，该压力变化不是造成燃烧特性变化的主要原因。进一步分析发动机压缩上止点缸内的气流运动状态，发现火花塞附近状态2的湍动能明显高于状态1，由此可知，对燃烧特性的影响不能仅靠瞬态滚流比和缸内平均湍动能进行判断，真正影响燃烧的是火花塞附近湍动能的变化，即发动机换气与压缩过程最终对燃烧特性的影响来自压缩上止点火花塞附近的湍动能。

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[编辑： 潘丽丽]

Influence of Exchange and Compression Process on Combustion Characteristic for Gasoline Engine

LIU Yaqi1，2, LIU Gang1，2, GAO Dingwei1，2, LI Chunfang1，2, LI Donghui1，2

(1. Technical Center,Great Wall Motor Co.,Ltd., Baoding 071000, China;2. Hebei Automobile Engineering Technology & Research Center, Baoding 071000, China)

For a gasoline engine with turbocharging and intake port injection, the effect of exchange and compression process on combustion characteristic was researched and the power, fuel economy and combustion characteristic were mainly analyzed based on the engine test bench data. It was found that the change of valve timing had great influence on combustion. The change would lead to a large increase of combustion efficiency and decrease of knock trend. With AVL-fire software, the CFD simulation of intake and compression process was conducted. The results show that the combustion characteristic in exchange and compression process not only depends on instantaneous tumble flow ratio and in-cylinder average turbulent kinetic energy, but also turbulent kinetic energy near spark plug. That is to say, the main influencing factor of combustion characteristic is turbulent kinetic energy near spark plug at the top dead center of compression.

turbocharging; gasoline engine； valve timing; combustion process； instantaneous tumble flow ratio; turbulent kinetic energy

2014-11-11；

2015-04-25

刘亚奇(1978—)，男，硕士，研究方向为发动机性能分析；yaqi11@tom.com

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.05.012

TK411.2； TK411.3

B

1001-2222(2015)05-0069-06