摘 要：在 2.0 L 米勒循环发动机上研究了高滚流对米勒循环发动机燃油经济性及燃烧特性的影响。试验结果表明，采用高滚流进气道后，促进了小负荷工况下的缸内气流运动，油气预混合充分，油耗降低明显。在转速为 2 000 r/min、平均有效压力为 0.2 MPa 工况，油耗降低了 3.5%。由于燃烧放热更加集中，燃烧持续期由原机的 32.6 °CA 缩短到 29.3 °CA，缩短幅度达到 10.1%。同时，小负荷时高滚流进气道发动机的燃烧稳定性得到改善，循环变动系数降低。但由于燃烧速度加快，后燃减弱，对未燃 HC 的氧化能力降低，导致小负荷工况下 HC 排放增加。采用高滚流进气道后，混合气湍动能增加，火焰传播速度加快，放热速率升高，瞬时放热率峰值升高。在转速为 2 000 r/min、平均有效压力为 0.2 MPa 工况，瞬时放热率峰值达到 24.4 kJ/°CA，较原机升高了 4.7%。
关键词：滚流 米勒循环 进气道 燃烧
引言
不断严格的排放及燃油经济性法规推动内燃机向更清洁、更高效的方向发展。米勒循环是实现这一目标的技术之一。对于汽油机来说，部分负荷的泵气损失偏大是影响其热效率的因素之一。米勒循环技术能有效降低部分负荷的泵气损失，提高汽油机中低负荷的有效热效率。同时，米勒循环技术可以利用进气门晚关来延迟压缩过程的始点，降低发动机实际压缩比，减小高负荷爆震倾向，从而使米勒循环发动机可以在更高的几何压缩比下工作，提高理论热效率。高几何压缩比的米勒循环发动机在小负荷时燃烧稳定性较差，高滚流进气系统可以有效地组织缸内气流运动，增强油气混合程度，改善发动机燃烧稳定性[1]。
本文在一款 2.0 L 增压直喷汽油机上探究高滚流进气系统对米勒循环发动机燃烧特性的影响，为米勒循环发动机进气道设计提供了依据，也为严格的油耗法规下高效率发动机的设计开发提供了工程基础。
1 高滚流进气道方案及稳态试验
1.1 高滚流进气道方案设计
影响滚流比的进气道参数主要有气道出口倾斜角 α、β 和圆弧曲率等。其中，气道出口倾斜角 α 和 β 对滚流比的影响最为显著。尤其是 α 的影响更大，α 越小，气流流向排气门方向越多，滚流越强[2]。为获取强滚流，需要增大进气门与气门座圈上部的进气流量及流速，同时减小进气门与缸壁间的进气量，从而形成较为强烈的正向滚流[3]。在原机基础上，通过减小 α，设计了一款高滚流进气道，如图 1 所示。气道出口上部相对燃烧室倾斜布置，引导气流从上部通过并沿燃烧室屋脊流向排气侧。气道出口下部向气道中心抬高，形成缩口，阻止进气流向下部。上下两股气流形成较大的能量差，从而增强进气滚流。
1.2 气道稳态试验
通过 TJUS102 型气道试验台对原机气道及所设计的高滚流进气道进行稳态试验。该稳态气道试验台的风机变频器可使小气门升程(≤3 mm)时进出口达到至少 7 kPa 的压差，大气门升程(>3 mm)时进出口达到至少 4 kPa 的压差。图 2 和图 3 分别为试验所测量出的不同气门升程下原机进气道和高滚流进气道流量系数和滚流比对比。
从图 2 和图 3 所示的试验结果可以明显看出，随着气门升程的变化，2 种气道的流量系数和滚流比呈现出相似的变化趋势。2 种气道的流量系数均是先快速增加后趋于平缓。在气门升程小于 4 mm 时， 2 种气道的滚流比相差甚小;在气门升程大于 4 mm 以后，2 种气道的滚流比出现明显差异。试验结果表明，相对于原机进气道，高滚流进气道加权平均滚流比提高 12.6%，而加权平均流量系数降低 5.2%。由此可知，相对于原机进气道，所设计的进气道滚流比明显提高，适用于研究滚流比对米勒循环发动机性能的影响。
2 仪器设备及工况选取
2.1 仪器设备
试验用相关仪器设备见表 1。
2.2 工况选取
本文的研究对象是一台四气门缸内直喷涡轮增压汽油机，其主要参数如表 2 所示。在该发动机上，通过匹配大包角进气凸轮轴，结合可变气门正时机构，实现进气门晚关的米勒循环，进气凸轮轴包角为 215 °CA。凸轮轴包角定义为从气门开启 1 mm 至关闭1 mm 所对应的曲轴转角。
发动机转速取为 2 000 r/min，在该转速下分别取平均有效压力为 0.2、0.5、0.8、1.1、1.4 MPa。2 台不同进气道发动机在相同工况下采取相同的喷油轨压、喷油时刻，并在各工况下都保证当量比燃烧。连续记录 100 个循环气缸压力数据，进行燃烧放热计算。
3 试验结果分析
3.1 油耗和泵气损失对比
图 4 为 2 000 r/min 转速、不同平均有效压力下的燃油消耗率。
从图 4 可以看出，采用高滚流进气道后，在小负荷时油耗显著下降。平均有效压力为 0.2 MPa 和 0.5 MPa 时，油耗分别从 388.4 g/(kW·h)和 289.8 g/(kW·h)降低到 374.8 g/(kW·h)和 283.7 g/(kW·h)，降幅分别为 3.5%和2.1%。在中高负荷时，2 种气道的油耗基本相同。这主要是由于在小负荷时米勒循环发动机的缸内气流运动较弱，采用高滚流进气道后，显著改善了缸内气流运动、增加了燃油雾化速度[4]，有助于在点火时刻缸内形成浓度均匀的混合气，改善了缸内燃烧情况。
图 5 为 2 000 r/min 转速、不同平均有效压力下的泵气损失。由于高滚流进气道的流量系数相对较小，在中高负荷时泵气损失有所增加。但是中高负荷泵气损失总体较小，对油耗影响较小。
3.2 燃烧持续期及循环变动系数对比
图 6 和图 7 分别为 2 000 r/min 转速、不同平均有效压力下 2 种气道发动机燃烧持续期及循环变动系数对比。
从图 6 和图 7 可以看出，改善效果同样在小负荷时较为显著。定义燃烧持续期为已燃质量分数 10%~90%经过的曲轴转角。未发生爆震时控制累积燃烧放热为 50%的曲轴转角(CA50)在 8 °CA ATDC 附近，以确保具有较高的燃烧等容度。采用高滚流进气道时，小负荷工况下，气流运动明显增强，预混合更加充分，促进了燃烧集中放热[5]。在平均有效压力为 0.2 MPa 工况，高滚流进气道发动机燃烧持续期由原机的 32.6 °CA 缩短到 29.3 °CA，缩短幅度达到 10.1%。在中高负荷时，缸内气流运动本就强烈，混合气混合较为充分，燃烧持续期缩短幅度很小。同样受益于缸内气流运动增强，点火时刻缸内湍动能增加，火花塞处混合气预混合充分[6]，小负荷时高滚流进气道发动机燃烧稳定性得到改善，循环变动系数降低。
3.3 HC 排放对比
图 8 为 2 000 r/min 转速、不同平均有效压力下的 HC 排放情况。
采用高滚流进气道后，缸内燃烧速度加快，后燃减弱，对未燃 HC 的氧化能力降低，导致小负荷工况下 HC 排放增加，尤其是 0.2 MPa 时 HC 排放增加尤为明显，增加了 21.4%。
3.4 2 000 r/min、0.2 MPa 工况放热率及气缸压力对比
图 9 及图 10 分别为 2 000 r/min、0.2 MPa 工况放热率及气缸压力对比情况。
从图 9 和图 10 可以看出，采用高滚流进气道后，放热速率更高，放热率峰值对应的曲轴转角比原机减小 3 °CA，并且以更低的油耗达到了更高的瞬时放热率峰值，瞬时放热率峰值达到 24.4 KJ/°CA，比原机升高了 4.7%。同时，缸内达到的最高爆发压力也更高。
4 结论
1)采用高滚流进气道后，促进了小负荷工况下的缸内气流运动，油气预混合充分，油耗降低明显，平均有效压力分别为 0.2 MPa 和 0.5 MPa 时，油耗分别降低了 3.5%和 2.1%。在中高负荷时，2 种气道的油耗基本相同。
2)采用高滚流进气道后，燃烧放热更加集中。在平均有效压力为 0.2 MPa 工况，高滚流进气道发动机燃烧持续期由原机的 32.6 °CA 缩短到 29.3 °CA，缩短幅度达到 10.1%。同时，小负荷时高滚流进气道发动机燃烧稳定性得到改善，循环变动系数降低。但由于燃烧速度加快，后燃减弱，对未燃 HC 的氧化能力降低，导致小负荷工况下的 HC 排放增加。
3)采用高滚流进气道后，缸内气流运动加剧，混合气湍动能增加，火焰传播速度加快，放热速率升高，同时瞬时放热率峰值升高，达到 24.4 KJ/°CA，比原机升高了 4.7%。——论文作者：韩 松 卢中轩 张 琳 陈 熊 白凤月 邹 林 张 晴
参考文献
1 韩文艳，许思传，周岳康，等. 滚流比对缸内直喷汽油机混合气形成及燃烧的影响[J]. 内燃机学报，2012，30(6)：499- 505
2 张小矛，高卫民，辛军，等. 进气道对缸内直喷增压汽油机性能的影响[J]. 内燃机学报，2011，29(4)：300-306
3 Berntsson A W, G觟ran J, Roy E, et al. The effect of tumble flow on efficiency for a direct injected turbo -charged down- sized gasoline engine [C]. SAE International Journal of En- gines, 2011-24-0054
4 王志国，曹权佐，曹亮，等. 高滚流比进气道在增压汽油机上的应用[J]. 汽车实用技术，2016(10)：102-104+118
5 任全水，吴宁，孙程龙，等. 高米勒循环对汽油机性能的影响[J]. 汽车实用技术，2019(24)：87-89
6 Brunn A, Jakob M, Adomeit P, et al. Effect of Intake Port De- sign on the Flow Field Stability of a Gasoline DI Engine [C]. SAE Paper 2011-01-1284
