滚流比对增压汽油机循环变动影响的试验研究*

贾志超 刘义克 王孟珂

（1-安徽航瑞航空动力装备有限公司 安徽 芜湖 241009 2-奇瑞汽车股份有限公司动力总成技术中心）

引言

采用涡轮增压中冷技术，是当前车用发动机的重要发展方向[1-2]。通过涡轮增压，可以大幅提高汽油机的功率密度，实现发动机小型化，由于小排量发动机摩擦损失小，其机械效率较高，因此在整车实际循环工况下节油效果明显。然而涡轮增压技术也造成发动机热负荷增加、燃烧循环变动大等相关问题。发动机在大负荷工况下燃烧循环波动大，会造成燃烧不同循环间爆震差异较大，使发动机最佳点火角过小，牺牲动力性和经济性，并且造成排温升高；点火角过大，受制于爆震闭环控制，点火角波动较大，造成缸内爆发压力波动大，易引发活塞、活塞环、连杆等零部件失效，严重影响发动机的可靠性。

国内对汽油机燃烧循环变动的研究主要体现在新型燃料和燃烧系统方面，比如汽油机EGR 及HCCI 新型的燃烧系统对循环变动的影响[3-7]，对于循环变动的评价方法及指标，大多研究内容是出于经济性和排放性考虑，研究重点在怠速和小负荷工况，而对于高转速气道对循环变动的分析并不多见[8-14]。

进气道设计是汽油机燃烧循环变动的重要影响因素，随着可变气道技术的应用，相关研究也揭示出提高滚流比有利于改善燃烧特性及循环波动率[15-18]，本文以某款涡轮增压四冲程汽油机为样机，通过采集缸内爆发压力，进行相关燃烧分析，以最大爆发压力，指示有效压力以及燃烧质量分数等参数作为循环变动考察参数，对比2 种不同的进气道在额定功率工况燃烧循环变动的影响。

1 试验装置与方法

1.1 增压汽油机

试验发动机为一台1.5 L 涡轮增压进气中冷四缸汽油机，排放满足国6b 法规，其主要技术参数见表1。

表1 发动机技术参数

1.2 不同滚流比的2 种气道

进气道设计是汽油机开发的一项重要内容，其特性对汽油机的燃烧和性能具有重要影响，在缸盖进气道结构尺寸基本相同的情况下，评定进气道一般有2 个主要参数，滚流比和流量系数。应用稳态CFD 方法，通过一定的评价方法，可以计算分析不同设计的进气道流量系数和滚流比。进气道滚流比大小主要通过调节气门座圈喉口的形状和曲率进行调整，见图1。本试验研究根据多种方案的计算分析结果，选取2 种代表性的进气道方案来进行试验验证。一种是低滚流缸盖，其中平均滚流比为0.6，另一种是高滚流缸盖，平均滚流比为1.2（下称高滚流气道和低滚流气道），2 种缸盖其他结构尺寸相同。2 种方案的进气道流量系数和滚流比曲线见图3。

图1 高、低滚流比气道几何对比

图2 高、低滚流比气道流道性能对比

1.3 台架测试设备

试验台架为AVL 电力测功机，燃烧分析为ALV IndiCom 燃烧分析仪，缸压爆发压力测量使用Kistler 6052U2 型打孔式缸压传感器，传感器加工布置孔见图3，发动机台架测试系统示意如图4 所示。

表2 测试设备参数

图3 缸压传感器测量位置

图4 发动机试验台架

1.4 试验方法

为了评定2 种进气道对燃烧循环变动的差异，本文主要考察额定功率点循环变动的影响，选择额定功率作为研究工况，主要是因为发动机在该工况热负荷和机械负荷都较大，燃烧循环变动会对发动机零部件的强度产生较大的影响，特别是缸内最大爆发压力，循环波动大影响到活塞、连杆、曲轴的可靠性设计。

为了在同一条件下对比2 种进气道缸盖的性能和燃烧特点，试验过程中控制边界条件基本相同，其中包括过量空气系数、进排气正时相位、增压压力、中冷后温度、冷却液水温。由于2 种气道缸盖燃烧特性不同，基于相同的点火提前角，高滚流缸盖相对低滚流缸盖，燃烧速率加快，更早达到燃烧中心，爆震倾向较大，因此试验是基于相同的爆震信号积分值kp_pk（缸压爆发压力高通滤波积分值）边界下对2种气道循环变动的研究，表3 是2 种气道缸盖试验边界条件。

表3 5 500 r/min 全负荷试验边界条件

本文通过采集缸压信号，通过燃烧分析仪后处理软件进行数据分析，循环变动评价指标包括缸内最大爆发压力pmax、平均指示压力pi、最大压力升高率λpmax，燃烧中心等参数。循环变动COV（Coefficient of Variation）计算公式如下：

式中：μ 为n 次循环燃烧特征性参数Xi的平均值；σ为n 次燃烧循环的特性参数的标准偏差。为了获得有效的统计意义结果，本试验采集的燃烧循环数n=100。

各循环的参数除按照循环变动COV 指标进行衡量外，对各参数可按照正态分布进行统计分析，以进一步分析各参数的分布集中度情况，正态分布函数计算公式如下。

2 试验结果与分析

2.1 滚流比对燃烧特性参数的影响

表4 和图5 是2 种进气道缸盖在额定功率工况的主要性能结果和燃烧特性对比，从表中可以看出，2 种气道在相近的进气增压压力下，基于相近的爆震信号积分值，实测功率相差不大，分别为113.1 kW和112.1 kW，但高、低滚流气道对应的最佳点火提前角分别为10°CA 和19°CA，相差达到9°CA。高滚流气道燃烧起始时刻CA10 和燃烧中心CA50 略迟于低滚流气道，但燃烧持续期CA10-90 比低滚流气道相对缩短2°CA，并且缸内最大爆发压力略低于低滚流气道缸盖，分别为7.6 MPa 和7.7 MPa。

图6a 和b 分别是2 种气道的100 个循环的缸内爆发压力波动情况，图6c 是2 种气道100 循环缸内最大爆发压力波动的标准差，从图中可以明显看出低滚流气道缸内最大爆发压力波动大于高滚流缸盖，高滚流缸盖的缸内最大爆发压力最大、最小值分别为8.9、6.0 MPa，而低滚流气道的缸内最大爆发压力最大、最小值分别为9.2、5.4 MPa，高滚流缸盖相对低滚流缸盖，缸内最大爆发压力最大和最小值，分别高了3.4%和低了10%。高滚流缸盖的缸内最大爆发压力标准差最大为0.84 MPa，低滚流缸盖的缸内最大爆发压力标准差最大达到1.05 MPa，缸内最大爆发压力最大标准差低了20%。

表4 2 种进气道缸盖在额定功率工况的主要性能结果和燃烧特性对比

图5 高、低滚流比的瞬时放热率和缸内最大爆发压力

2.2 滚流比对燃烧参数循环变动的影响

图7 和图8 分别为2 种气道100 个循环燃烧参数的循环波动情况，图9 是2 种气道100 个循环燃烧参数的正态分布对比，图10 是2 种气道的循环波动率对比。

图7a 和图8a 为2 种气道100 个循环的平均指示压力Pi 的波动情况。2 种滚流比气道平均指示压力Pi 的循环波动率均小于3%（图10），正态分布的中心值分别为1.74 和1.76 MPa（图9a），相差不大。但2 种气道最大爆发压力的波动差异较大（图6b、图7b、图9b），高、低滚流气道的循环波动率分别为7.4%和10.8%（图10），高滚流气道相比低滚流气道波动率降低达到44.7%。2 种气道的缸内最大爆发压力正态分布的中心值分别为7.2 和7.5 MPa（图9b），高滚流气道的缸内最大爆发压力表现得相对集中。

图6 高、低滚流比缸内最大爆发压力分布对比

图7c 和图8c 为2 种气道100 个循环的燃烧质量时刻CA10 波动情况。2 种滚流比气道燃烧时刻CA10 的循环波动率都很高，分别为18.5%和32.4%，差异率达到75.0%（图10），2 种气道的燃烧时刻CA10 正态分布的中心值分别为5.8°CA 和9.5°CA，高滚流缸盖CA10 滞后了3.7°CA（图9c），这主要是由高滚流缸盖的燃烧速度较快，在同等爆震信号积分值下，点火提前角较为滞后所致。

图7d 和图8d 为2 种气道100 个循环的最大压力升高率λPmax的波动情况。2 种滚流比气道最大压力升高率λPmax的循环波动率都很高，分别为32.0%和19.8%，差异率达到61.3%（图10），2 种气道的λPmax正态分布的中心值分别为0.23 MPa/°CA 和0.24 MPa/°CA（图9d），图中可以明显看到高滚流气道相对于低滚流气道最大压力升高率λPmax散差分布更集中，低滚流气道的压力升高率分布散差较大。

图7 高滚流气道燃烧参数循环变动

图8 低滚流气道燃烧参数循环变动

2.3 滚流比对缸内最大爆发压力与燃烧时刻的影响

图9 高、低滚流气道燃烧参数正态分布

图11 为额定功率工况下，2 种气道缸内最高燃烧压力与各燃烧时刻参数的关系对比。从图中可以看出，100 个燃烧循环，2 种气道的缸内爆发压力都与着火时刻和燃烧时刻有一定的线性关系，点火时刻和燃烧时刻提前，缸内爆发压力升高，但低滚流比气道相对高滚流比气道，缸内最大爆发压力受着火时刻和燃烧时刻CA10、CA50 更为敏感（图11a、11b、11c），斜率更大，这主要是由于低滚流比气道由于燃烧速率较慢，需要较早的点火时刻，着火时刻更接近上止点位置。图11d 是缸内最大爆发压力与燃烧持续期CA90-10 关系，从图中可以看出，100 个燃烧循环中随着燃烧持续期缩短，2 种气道的缸内最大爆发压力也明显提高，在相同的燃烧持续期下，高滚流比气道最大爆发压力低于低滚流比气道最大爆发压力。

图10 高、低滚流气道燃烧各参数循环变动对比

图11 2 种气道缸内最大爆发压力与燃烧参数的关系对比

3 结论

1）高滚流气道相对于低滚流气道，燃烧循环波动率明显降低，燃烧循环各参数中缸内燃烧最高压力Pmax和压升率λPmax相对平均指示压力Pi表现得更为明显。平均滚流比由0.6 增加到0.8，缸内最大爆发压力和最大压升率循环变动分别降低了44.7%和61.3%。

2）2 种气道循环波动与着火时刻的循环变动有较强的线性关系，着火时刻早的燃烧循环，发动机缸内最大爆发压力较高。相对高滚流气道，低滚流气道受着火时刻的循环变动的影响，缸内最大爆发压力循环波动更加明显。