高速4气门直喷柴油机可变进气涡流的研究

流 比
考 虑挤流 的影 响 ． 减系数 ｂ ０ ６ 。 衰 － ．
由计算 可 得 ． １２ ０ｒｍｉ ， 最佳 油耗 比相 在 ０ ／ ｎ时 与 对应的 涡流 比为 ２ ８ ； ２８ ０ｒｒｉ ． 对应 的最 ． １ 在 ０ ／ａｎ时 其
佳 涡 流 比为 ２ ３ 。 ． ６
以上计算 所得 的最佳 涡流 比为压缩 终 了活塞位 于
作 者根据 在压缩 末期 喷雾油束 末端 的撞 壁速度与
涡流 速度 的相 对关 系 ， 计算 出 了一 台单 缸 ｌ ５柴 油机 ０ 在不 同转速 下所要 求的最佳 涡 流 比。设计 了 ２种不 同 的双 进气 道 结构 ， 在稳 流气 道 试 验 台上对 气 道 的涡 流 比和 流量 系数 随气 道 入 口截 面积 的变 化 进 行 了试验 ， 结果 发现 ， ４气 门直 喷柴油机 中， 容易通 过关闭一 在 很 个进气 道实现 最佳 涡流 比的调节 。
Ｔａｂ Ｅｎ ｉ ｒ ｎ ｅｒ ．１ ｇ ｎｅ ｐａ ａ ｅｔ
百
。
式中： Ａ为常 数 ， Ａ一 Ｓ 的数 值 ， 即有 涡流 时 的贯穿 距 离 ， 需要 在 每 个 时 间步长上计 算上 述速 度分量 。 油束 末端 沿 涡流 方 向 的位移 ， 即切 向位移 Ｓ计算
和涡流强度 关系的数学模型 ， 计算 了某 ４气门直喷柴油机随转速变化所要求的最 佳涡流比； 设计 了带涡 流控制阍的双进气道 ， 稳流气道试 验台上对这些气 遵的涡 流 比和流量 系数随气道人 口面积变 化的影 在
响 进 行 了试 验 ， 果 发 现 ， ４气 门 直 喷柴 油机 中 ， 容 易 通 过 关 闭 一 个 进 气道 实 现 最 佳 涡 流 比 的调 节 。 结 在 很
程 中 ， 内涡流 主要 由进 气道形 状决 定 ， 缸 涡流 比随发 动
机转 速 变化不大 。 这样 ， 果 进气道 的设 计满 足 了发动 如 机 的高速性 能 ， 在低速 时 由于涡流 比较低 ， 则 使燃烧 过 程恶 化 。所以 ， 遵循 低速 时涡 流强 、 高速 时涡 流弱 的可 变进 气 涡流变化 规律是 改善 直喷柴 油机燃烧 过程 十分
压缩 间 隙为 ｄ 那么压 缩开 始 时的角动量 总 和 Ｈ。 ． 为
Ｈ 一÷ （ ・ ｈ ） ２ｎ＋ ｒ ・ ¨． ｒ ・ Ⅱ
÷［ Ｒ ・ Ｂ ・ ｏ ２ｎ ・ （ ＋ ） Ｐ ｋ ・ ｒ ｌ ｒ
越
‘ ｌ 『 Ｊ
．
‘ （ ７ ）
式中： ，为强 制涡 流中心至 油束 末端 的半径 （—ｓ 。 ｒ ） 油束末 端 速度的切 向分 量是用 微分计算 得 到的 ：
ｄ Ｓ ｄ ｄ Ｓ Ｓ
石
一
‘ 百
户
・
～ 出
（ ８） …
ｄ ’
用上 式可 以计算 出任何 给定 时间 的油束 末端 速度 的切 向分 量 。这个速 度随涡 流角速 度 和半 径 ｒ的增 加而
增加 ， 随喷 射压 力的增加 而减小 ， 随喷射速 度的增 加而
减小 。 图１ 为速 度分 量图解 。 油束末端 速度 ｒ 将 以径 向 单位矢 量 ｕ 和切 向单位 矢量 ｕ 表示 ：
＋ （） ９
流 比
（ ）１２ ０ｒ ｍｉ ｎ Ｏ ／ ｎ
ｄ／ Ｓｄ ￣
０
美 鬟 词 ； 变 涡 流 ： 气 门 ；柴 油 机 可 ４ 中圈 分 类 号 ： Ｋ４ １ ３ Ｔ ２． 文献 标识 码 ： Ａ
引 言
进 气涡 流对 高 速直 喷柴 油机 缸 内混 合气 形 成 、 燃 烧、 性能 和排放 都有极其 重要 的影 响。 在发 动机低 速运 转时， 喷油 压力 降低 ， 油 喷雾性 能变差 ， 求有 较 强 燃 要 的 涡流 运 动以加 强油 雾 与空 气 的混 合 ； 而在 高速 时 喷 射 压 力提 高 ， 混合 气形 成所 要求 的涡 流 比降低 ， 以 ， 所 在 发 动机每 一工 况 下都对 应 有一 个 最佳 涡 流 比， 混 使 合 气形成 和燃烧 过程最佳 。 而 ， 发动机 实际运 行过 然 在
１ 最 佳进 气 涡 流 比的 数 学模 型
最 佳涡流 比是 喷射油束 和燃烧 室 内空气涡 流相互 作用 良好的结 果 。 算油束 末端撞击 燃烧 室壁 面时 ， 计 油 束末端 的最小 撞击速 度和 喷射油束 与空 气涡流 的最大 相对速 度 ， 与测 试所得 的烟度 和指示 比油耗相 比较 ， 并 分别得 到对应 于最 小烟度 和最佳 油耗 比的涡流 比 。 假设 缸 内空 气运 动 为强 制 涡流 ， 表面 摩擦 与 燃烧 室形状 对空气 运 动的影 响为轴 向对 称 的 。 将 无涡 流条 件下 的油束 末 端贯 穿距 离 表示 为
上 止 点 时 燃 烧 室 内 的 涡 流 比 。 在 稳 流 试 验 台测 量 中 ， 但 缸 内涡 流 的测 量 是 模 拟 进 气 终 了 活 塞 位 于 下 止 点 时 的
状态 ， 依据 动 量矩定 理 ． 需要将 压缩 终 了的涡流 比折 合 为进气终 了涡 流 比。 设缸 内空气 密度 始终均匀 。压 缩开 始活塞位 于下 止 点 时 的空 气 密度 为 Ｐ ， 涡流 转 速 为 ‰， 烧 室 为 圆 燃 柱形 ， 中心 布置高 度 ＾ ， 径 活塞 半径 Ｒ 半 行程 Ｂ，
为涡 流 冲量 的角 速度 ； 为平 均 喷射 速度 ； 为有 户
救 喷射压力 ，
＝
√ （
油 束末端 与空气 的相 对速度 为
Ｖ Ｉ＝ Ｖｆ Ｖ Ｈ —
一
譬 ［
・
］ ㈤
ｑ为 每次喷射 的燃 油体 积 ， ； 为发动 机转 速 ，／ ； ｍ。Ⅳ ｒｓ 为喷油持续 角 （ 量 值 ）。 Ａ； 测 ， Ｃ ｎ为喷油 数 目； 为 Ｌ 喷孔 流量 系数 ， 为一常数 ， 一般情 况 下取 ０ ７ ．。 在每个 时间 步长 内利用数值 尝试 和误差 分析 的方 法用 式 （ ） 解 Ｓ 。将 式 （ ） ２求 ２ 进行 微 分 ， 可得 油 束末 端 喷射 速度径 向分 量的表 达式如 下 ：
如下 ：
Ｓ
了
：
行 程
ｍ ｍ
压 缩 比
１ ｊ ７ １
曲 柄 长 度
连杆 长 度
２ ０ ０
１５ ０
１０ ２
发 动 机 选用 ４孔 喷 嘴 ， 喷孔 直 径 为 ０ ３ ． ０ｍｍ， 初 选燃 烧室 半径 为 ３ Ｔ 。由此计算 得ｆ ０Ｉ Ｄ 霉 颦 ． 犟发动 机在 １２ ０ ￣． ｆ 蒿 ０ ｒｒｉ 、 ０ ／ ｉ 如 的撞 击 速度 与相对 速度 的切 ／ ｎ ２８ ０ｒｒ ｎ时 ａ ａ 如 向分 量 随压 缩终 了时 的涡流 比变化 ， 如图 ２所 示 。
时 间 ｔ 函数 ： 的 ］
Ｓ ＝ Ｆ ・ｔ 。 （） １
有效 的技 术措施 。过去在 ２气 门发 动机上发展 了一 些
可 变涡 流进气道 一 如 转换 阗 控制 的双层 气道 结 、 气 ， 副
道 结构 ， 但很 少 能付 诸实 用 ， 为 当涡 流 比增 加 时 ， 因 流
这个 可 变涡流 比的方 案 易于 实现 电控 ， ４气 门柴 油 是
机 满 足未 来 轿车 排 放 法 规 所 采取 的有 效 技 术措 施 之
一ｓ ｏ［ ｒ － ５
㈣
式 中： 为喷 嘴 的喷孔 直 径 ； Ｑ 分 别 为空 气 的动 Ｑ 和
收 精 日期 ：０ ￣０ ９ 修 订 日期 ；０ ００ 一１ ２ ０ ４１ ｝ ２ ０ ７Ｉ 。
２ ０ 年 ９月 ０１
许 俊 峰 等 ： 速 ４ 门 直 喷 柴油 机 可 变进 气 涡 流 的 研 究 高 气
・４ １・ ０
量 矩和油束 喷射 动量矩 ，
Ｑ ＝ ・ ・ Ｓ Ｑ． 一 ・ 一２ 删 户 （） ３ （） ４
，
在 撞 击 处 ， 速 度 矢 量 的 大 小 被 定 义 为 撞 击 速 厦 此
式 中： Ｆ为 常数 。 在有 涡流 时 ， 束末 端 贯 穿距 离在 径 向上 的分 量 油 ｓ 要 比无涡流 时小 ， 其减 小量 可表 示为 有关 距离 的无
因次方 程 ：
变涡 流进气 系统可在 发动 机运 行工况范 围 内大 幅度 调 节涡 流 比 ， 同时又 能确保流 量 系数 下 降很 少 ， 而有 效 从 地实 现最佳 涡流 比的调节和 控制 ， 显著 改善燃烧 过程 。
、
２ （… ｂ
４ 。
６
８
１ ０
觯 豫
圈 １ 擅 击 处 的 速度
Ｆｉ． Ｖｄｏ ｌ ｎ Ｉ ａ ｔ ｇＪ ｃｔ ｏ ｍｐ ｃ￣ｎ ｙ
田 ２ 擅 击 建 度 与 相对 逮度
Ｆ ｇ ２ Ｉ ｌ ｃ ｅｏ Ｈ ｎ ｅ ａ ｉ ｅ ｖ ｌｃ ｔ ｉ － ｍ ０ ｔｖ ｌ ｃ ｙ ａ ｄ ｒ ｌ ｔ ｅ ｏ ｉｙ ａ ｖ
量系数 下 降很多 。 目前 高速 ４气门直喷 柴 油机成为 发展热点 。它 有 ２个 进 气 道 ， 以 在 一 个 进 气 道 上 安 装 涡 流 控 制 阀 可 （ｗｉ ｏ ｔｏ ａｖ ） 通 过调 节 阀 的开度 就 可 改变 涡 ｓ ｒ ｃ ｎｒｌ ｌｅ ， ｌ ｖ
流 比 。ＡＶＬ ２ Ｆ Ｖ口 进 行 的 试 验 研 究 表 明 ： 个 可 和 Ｅ 这
１０８ ９０５
高速 ４气 门直 喷 柴 油机 可 变 进气 涡 流 的研 究
许 俊峰 ．李 玉峰 ，李 丽 莉 ． 斯 都 ，刘 书 亮 许
（ 津大 学 内燃 机 燃 烧 学 国 家 重 点实 验 室 ． 天 天津 ３０ ７ ） ０ ０ ２
摘 要 ： 据 在 压缩 末 期喷 雾 油束 末端 的撞 壁 速 度 与 涡 流 速 度 的 相 对 关 系 ． 立 了 喷 雾 油 束 、 烧 室 形 状 根 建 燃