车辆引擎导流装置优化及性能分析

万雨欣，王 睿，赵大柱，闵可欣，汪献伟

（江苏理工学院 机械工程学院，江苏 常州 213001）

传统自吸式发动机的动力传输平稳，在发动机转速发生变化时，不会造成突然的速度改变，而且发动机的寿命较长，维护方便。但自吸式发动机在汽车节气门开合度较小的时候动力性能较差，节气门的阀片呈圆形结构，该结构不能使气流形成涡流，因此不利于油气充分混合。而气缸内燃油与空气充分混合，不但可以改善燃烧效率、增强汽车动力，而且还能达到节能减排的目的。因此，为实现节能减排、提高燃烧效率，通常对传统自然吸气式发动机的进气方式进行改进。目前常用的方式有两种，第一是涡轮增压技术［1-4］，大多通过提高发动机进气气流的压力，增加气缸的进气量，使得油气充分混合，燃烧彻底，从而增强引擎动力并降低污染物的排放。与传统的自吸式发动机进行比较，搭配涡轮增压技术的发动机可以在不改变原有结构尺寸的情况下，使发动机的功率和扭矩提高20%～50%。不过由于涡轮增压装置通常处于高速、高温的工作环境，容易使机油在高温下迅速氧化，时间稍长就会产生油泥和积碳，影响发动机的润滑。在发动机转速较低的时候，会使发动机排出的尾气无法推动排气涡轮，这样一来不但不会起到增大进气气流压力的作用，反而还会使排气阻力增大，产生涡轮迟滞。涡轮增压设备的成本较高，而且维修和保养的费用也相对传统自吸式发动机更高。第二是导流装置技术［5-8］，是在自吸式汽车节气门体的进气管道中放置导流装置，使气流在导流装置的作用下形成涡流，使油气充分混合。

1 导流装置的性能优化

1.1 结构优化

谈乃成等［9］设计的导流装置是一块安装在气缸头与进气管连接处的圆形板件。主要依靠板上若干开孔的边缘所连接的倾斜导流叶片。该导流叶片能伸入气缸头进气口，使内燃机进气产生旋流，从而增大进气量。然而该导流装置对于发动机进气气流的阻碍作用较大，在发动机的节气门开度较小的情况下，导流叶片不能偏向进气通道底面，此时进气气流较弱，不能增强涡流强度，严重时可能导致发动机熄火。丁年胜等［10］设计的导流装置是安装在进气口的一种被动式进气涡轮装置。该装置的外部为空心圆柱筒状结构，在其内部有三根导流支架均匀分布，连接中心轴。在另一端，中心轴均匀结合10 片涡轮叶片。正因为该涡轮的叶片方向与弧形曲线的方向一致，使得在气道中产生的涡流增强，动力增大，且其中机械可运动的部分会对气道中的气流产生阻力。欧文斌等［11］设计的导流装置是由安装在节气门体与空滤之间的涡轮装置和安装节气门体之后到气缸盖进气道之前的进气管路的导风装置组成，这款导流装置与丁年胜等［10］设计的有些相似。其导风装置是中空圆管，通过它吸入引擎内的空气，使进气气流在中空管形成螺旋气流，油气充分混合，引擎充分燃烧。但其结构相对复杂。Levitz 等［12］设计的被动式导流装置安装于节气门后端，该装置的叶片和板为整体无可运动部分，从气流孔周边向其中心延展，所以对气流阻碍很小，从而可以增加进气涡流强度，但效果并不理想。北京中歆环保科技有限公司开发的采用蜂巢式结构，见图1，其主要原理是使气体进入引擎的氧分子密度加大，雾化程度提高，增加空气与燃油的接触面积，达到更理想的油气混合比例。但是，上述蜂巢式引擎助燃装置结构采用的是内环与外环的单层结构，且轴体中空，不能形成收缩通道。

图1 蜂窝式导流装置

为克服现有技术的不足，本团队对传统助燃装置的扁平化结构进行了改进，其结构如图2 所示。本引擎助燃装置主要包括第一、二、三、四导流环体，第一、二导流通孔，导流块及导流板等。本装置沿轴向方向置入引擎的进气管内，且第I 导流部靠近进气管口。当气流通过时，在内外导流通道的联合作用下，气流被加速，从而增加引擎单位时间的进气量。

图2 导流装置优化结构

1.2 配方优化

本导流装置由以铈、锑、钕、钆等多元素为配方的稀土材料混合尼龙（加纤）注塑而成。根据稀土族元素的短波激光性质以及光谱能级差异，不同的稀土元素配合物可造成短波速差动力，产生短波能量。短波能量会激发空气，其穿透能力使空气处于较高的震荡状态，对气流产生推进作用，增加了引擎单位时间的进气量，使油和气充分混合。此外，铈的高度活性，能够产生微爆效应，从而促进充分燃烧，增强引擎动力。在加工本导流装置时，首先称取适量的PA6、CeO2，经高速混合机混合均匀后，采用双螺杆挤出机熔融挤出，经冷却、牵引、切粒得到不同CeO2用量的PA6/CeO2共混粒料。原料制成后，按照图3 工艺过程进行生产。

图3 导流装置加工工艺

2 节能减排分析

2.1 油耗分析

为了进一步验证此款车辆引擎导流装置在提升燃油燃烧效率方面的效果，分别将3 种不同结构的导流装置（分别适用于货车、客车和私家车）安装在一款排量为1.2 L 的直列四缸横置式汽油发动机上进行特性测试（最大功率为64 kW，最大扭矩114 N·m），得到发动机在变转速情况下的燃油消耗率，如图4所示。可以看出，安装导流装置后，在提高同样的有效功率时，装置1 安装后的燃油消耗率相较原先偏高，具体原因有待进一步的实验分析研究。但是其他两种装置在安装后，燃油消耗率呈现出下降趋势。

图4 安装导流装置前后的燃油消耗率对比

2.2 尾气排放分析

本装置中的氧化铈，是提高热值和减少污染物排放的主要原因。在富氧条件下，LaCeMn 和LaMn对NOx的还原效率差别很大，这表明加入氧化铈，材料的活性有了明显的提高。从化学层面分析，铈元素是变价元素，即铈元素的氧化物可以在三价和四价之间变换，如式（1）所示。这种特性使铈元素在高温状态下具有储存和释放氧气的作用。当气流中的氧气含量不足时，铈会从四价转变为三价，从而释放出一部分晶格氧。反之，气流中的氧气含量过剩时，铈会从三价变为四价，吸收一部分氧。在富氧条件下，氧量过剩造成LaMn 对NOx的还原反应困难，而铈的变价性质使它具有储氧作用，将铈添加到LaMn 中能够产生一定的脱氧机制。该机制改变了对NOx还原反应的反应条件，从而达到节能减排的目的。在热值相同的情况下，加入2%铈助燃剂，可以使燃油的热值提高10%～15%，从而减少CO、HC、NOx等污染物排放，同时可以更好地清洁积碳。

为了进一步分析本装置的减排效果，分别将本装置安装于别克、帕萨特、本田雅阁三款车型，并检测安装前后的尾气浓度，见表1。由表1 可知本装置减排效果明显。

表1 减排效果检测

3 空气动力学分析

此款导流装置用于发动机节气门体的后端，通过降低进气气流进入节气门（开合度0～45 °）时的流量损失，从而提高涡流增压强度。安装导流装置前后的迹线图如图5 所示，安装前，大部分气流流经节气门环隙后沿管壁流出，少部分气流在阀片背后形成两个回流。安装后，阀片后近管壁的迹线明显变得稀疏，管道轴心处的迹线明显变得密集。空气从阀片流过后，在导流装置的引导下旋转着流出。这说明安装本装置后气流分布更均匀，尤其是在节气门开度较小的情况下。

图5 安装导流装置前后的气流对比

图6 给出了安装本装置前后，节气门出口的速度切向矢量。由图6 可知，未安装本装置时，节气门出口截面两侧气流沿圆周方向的速度不同，越接近漩涡中心处切向速度越小。当节气门体开合度为45 °时，气流会形成两个旋转方向相反的漩涡。在进气气流流动时，这两个对称漩涡会导致切向速度相互抵平，气流运动从而减慢。安装本装置后，气流在出口截面切向将会形成一个规则的涡流，从截面中心到外壁附近的速度逐步增大。与安装导流装置前比较，此时的的切向速度相比更大。这表明安装本装置后，进气口气流运动会变得更强，可以使燃油充分燃烧。

图6 安装导流装置前后节气门出口截面处的切向速度矢量图

空气进入发动机缸体后，与燃油的混合程度会随湍流强度大小而发生变化，因此适当强化出口湍流强度，会有利于空气与燃油更均匀地混合。图7为安装本导流装置后，节气门开度为5 °和45 °的湍流强度等值线云图。由于节气门安装导流装置前，其后端流场湍流强度已经相当低了，在安装后出口处湍流强度减弱则更加明显。在开度为10 °时，由于进气流量较小，单阀片式节气门体不能有效使进气气流形成规则涡流。从图7 可以看到，安装导流装置后，当节气门开度为10 °或是45 °时，节气门体后端湍流强度都得到显著提高。

图7 安装导流装置后的湍流强度

4 结论

车辆引擎的进气导流装置是车辆燃油系统的关键元件之一。其工作状态的好坏直接影响引擎的动力性能、油耗、启动的加速性能、旋转的稳定性及废气的排放。本团队对传统导流装置进行了结构和成分优化，优化后的导流装置一是提高了单位时间引擎的进气量，促使氢氧分子组织细微化，增强扭力，提高引擎动力；二是降低油耗，使燃油燃烧更加充分；三是保护环境，有效降低了CO、HC、NOX等污染物排放。