兩種提高缸內(nèi)反向滾流和正向滾流的遮蔽罩方法

1.前言

汽油機(jī)部分負(fù)荷的油耗很大程度上影響了整車循環(huán)工況下（如NEDC）的綜合油耗。因此，提高其部分負(fù)荷熱效率一直是汽油機(jī)燃燒開發(fā)的重點(diǎn)任務(wù)。而制約部分負(fù)荷熱效率提高的其中一個(gè)重要因素就是泵氣損失。米勒循環(huán)一般是指通過降低氣門升程和氣門包角，將進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)間提前到進(jìn)氣下至點(diǎn)之前，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)有效排量，達(dá)到降低泵氣損失的目的。已經(jīng)量產(chǎn)的米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)包括兩段式米勒循環(huán)和連續(xù)式米勒循環(huán)。如奧迪的AVS（Audi Valvelift System）系統(tǒng)即典型的具有兩種氣門升程曲線的兩段式系統(tǒng)［1］。在部分負(fù)荷工況，使用小氣門升程（同時(shí)也是小氣門包角），使得進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻提前到進(jìn)氣下至點(diǎn)之前，實(shí)現(xiàn)米勒循環(huán)。而在大負(fù)荷工況，為了保證扭矩輸出，使用傳統(tǒng)的大氣門升程（同時(shí)也是大氣門包角）。連續(xù)式米勒循環(huán)如寶馬的Valvetronic［2］，日產(chǎn)的VVEL （Variable Valve Event and Lift system）［3］，以及菲亞特裝配的MultiAir系統(tǒng)［4］。這些連續(xù)式米勒循環(huán)系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是氣門升程可以連續(xù)可變，從而實(shí)現(xiàn)不同程度的米勒循環(huán)。以寶馬的Valvetronic系統(tǒng)為例，其在部分負(fù)荷的平均節(jié)油潛力達(dá)到了10%［2］。

但需要指出的是，上述的米勒循環(huán)都會降低發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度（本文以滾流為例），這不僅會影響缸內(nèi)油氣混合，也會降低燃燒速度。而燃燒速度的降低對油耗改善是不利的。因此，為了充分發(fā)揮米勒循環(huán)的節(jié)油潛力，就需要想辦法提高缸內(nèi)滾流比，避免低的滾流比對油耗的不利影響。

在討論如何提高缸內(nèi)滾流之前，需要先定義汽油機(jī)缸內(nèi)的兩種滾流，即反向滾流和正向滾流。如圖1所示的缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)速度場。從進(jìn)氣側(cè)往排氣側(cè)，氣流繞著垂直于氣缸軸線方向逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，稱為反向滾流。相反，氣流繞垂直于氣缸軸線的順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，則稱為正向滾流。

圖1 汽油機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的速度場分布圖

增強(qiáng)缸內(nèi)滾流，首先需要從進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)入手，包括尺寸及方向，而本文主要討論增強(qiáng)滾流的另一種方法，即位于進(jìn)氣道的進(jìn)氣門遮蔽罩。進(jìn)氣門遮蔽罩的作用簡單的說就是：“堵”。具體來說，把進(jìn)氣門靠近排氣的一側(cè)適當(dāng)“堵”一些（并非完全堵?。?，那么靠近進(jìn)氣側(cè)缸壁的氣流運(yùn)動(dòng)速度就會加強(qiáng)， 即反向滾流增強(qiáng)。反之，把靠近進(jìn)氣側(cè)缸壁的一側(cè)適當(dāng)“堵”一些，那靠近排氣一側(cè)的氣流速度就加強(qiáng)，即正向滾流增強(qiáng)。遮蔽罩的位置，可以在氣門背面，也可以在進(jìn)氣道上，產(chǎn)品發(fā)動(dòng)機(jī)常見的是位于進(jìn)氣道上。以下詳述兩種位于進(jìn)氣道上的進(jìn)氣門遮蔽罩。

2.利用進(jìn)氣門遮蔽罩增強(qiáng)滾流

2.1 利用進(jìn)氣門遮蔽罩增強(qiáng)反向滾流

圖2是在Fiat 1.4L渦輪增壓進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)上通過MultiAir系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)米勒循環(huán)的進(jìn)氣門升程曲線。為了解決米勒循環(huán)帶來的缸內(nèi)滾輪比下降的問題，圖3為在缸蓋上靠近排氣一側(cè)設(shè)計(jì)的進(jìn)氣門遮蔽罩。如圖3 （a），在進(jìn)氣道靠近排氣側(cè)設(shè)計(jì)了一個(gè)紅色所示的遮蔽罩，那么在小負(fù)荷使用米勒循環(huán)策略（小氣門升程）時(shí)，氣流會因?yàn)槭艿阶枇ΧD(zhuǎn)向靠近缸壁的進(jìn)氣側(cè)，那么這一側(cè)的氣流運(yùn)動(dòng)，即反向滾流就得到加強(qiáng)。為了進(jìn)一步定量研究進(jìn)氣門遮蔽罩對滾流的影響，圖4為實(shí)驗(yàn)測得的無進(jìn)氣門遮蔽罩和有進(jìn)氣門遮蔽罩情況下的滾流比。其中，將測出的各個(gè)升程下的滾流比除以氣門最大升程時(shí)的滾流比，即得到圖中縱軸所示的當(dāng)量化的滾流比。該值為正即為正向滾流，為負(fù)則為負(fù)向滾流，且絕對值越大，表示滾流強(qiáng)度越大。從圖中可以看出，在進(jìn)氣門升程小于4 mm時(shí)，進(jìn)氣門遮蔽罩明顯增加了反向滾流的強(qiáng)度。而在大升程時(shí)，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)以正向滾流為主，此時(shí)的遮蔽罩由于阻礙了靠近排氣一側(cè)的氣流運(yùn)動(dòng)，從而減弱了正向滾流的強(qiáng)度。綜上所述，進(jìn)氣門遮蔽罩有效地增加了小負(fù)荷下米勒循環(huán)（通過小升程實(shí)現(xiàn)）的滾流強(qiáng)度，有助于充分挖掘米勒循環(huán)的節(jié)油潛力。同時(shí)，對于大負(fù)荷（使用大升程）下進(jìn)氣門遮蔽罩減弱滾流強(qiáng)度的情況，則需要考慮其對最大扭矩的影響，特別是對于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖2 利用連續(xù)可變進(jìn)氣門升程曲線實(shí)現(xiàn)不同程度的米勒循環(huán)［5］

圖3 （a） 米勒循環(huán)時(shí)（小氣門升程）利用進(jìn)氣門遮蔽罩增加反向滾流［5］ （b） 位于進(jìn)氣道的進(jìn)氣門遮蔽罩的三維設(shè)計(jì)圖［5］ （c） 位于進(jìn)氣道的進(jìn)氣門遮蔽罩實(shí)物圖［5］

圖4 無進(jìn)氣門遮蔽罩和有進(jìn)氣門遮蔽罩條件下的滾流對比［5］

2.2 利用進(jìn)氣門遮蔽罩增強(qiáng)正向滾流

圖5為MAHLE在一自然吸氣單缸汽油機(jī)（配有進(jìn)氣道噴射和缸內(nèi)直噴燃油系統(tǒng)）上匹配了可變進(jìn)氣門升程機(jī)構(gòu)后的氣門升程曲線［6］。和上述的MultiAir系統(tǒng)類似，也通過小進(jìn)氣門升程實(shí)現(xiàn)米勒循環(huán)。為了提高小氣門升程時(shí)米勒循環(huán)的缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了如圖6所示的環(huán)繞進(jìn)氣道180?的進(jìn)氣門遮蔽罩［6］。和上述增強(qiáng)反向滾流的遮蔽罩位置相反，圖6的遮蔽罩位于靠近進(jìn)氣側(cè)缸壁的一側(cè)。因此，加強(qiáng)的是正向滾流。如圖7所示［6］，增加進(jìn)氣門遮蔽罩的高度可以明顯增加滾流，但同時(shí)也導(dǎo)致流量系數(shù)下降，如圖8所示［6］。流量系數(shù)的下降會犧牲最大扭矩，特別是對于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)。綜合來看，2.2mm的遮蔽罩高度是兼顧了滾流和流量系數(shù)，是比較好的方案。

圖5 利用連續(xù)可變進(jìn)氣門升程曲線實(shí)現(xiàn)不同程度的米勒循環(huán)［6］

圖6 位于進(jìn)氣道的進(jìn)氣門遮蔽罩實(shí)物圖（右側(cè)進(jìn)氣道的斜線示意了遮蔽罩的區(qū)域） ［6］

圖7 進(jìn)氣門遮蔽罩高度對滾流比的影響［6］

圖8 進(jìn)氣門遮蔽罩高度對流量系數(shù)的影響［6］

3.總結(jié)

米勒循環(huán)由于其在改善汽油機(jī)部分負(fù)荷油耗方面的潛力而受到了越來越多的重視，但同時(shí)也會導(dǎo)致缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的下降，這對油耗改善是不利的。因此，為了充分挖掘米勒循環(huán)的節(jié)油潛力，需要增加缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。位于進(jìn)氣道的進(jìn)氣門遮蔽罩即是一種有效提高缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的方法。本文介紹了兩種提高缸內(nèi)反向滾流和正向滾流的遮蔽罩方法，并用實(shí)測數(shù)據(jù)證明了其有效性。同時(shí)需要指出的是，進(jìn)氣門遮蔽罩也會導(dǎo)致充氣效率的下降，因此，需要在增強(qiáng)滾流和充氣效率下降之間做優(yōu)化，并仔細(xì)評估其對發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩的影響。