楊雪春

機(jī)動(dòng)車保有量和汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展給人們帶來便利，使得中國機(jī)動(dòng)車總數(shù)量已連續(xù)多年位居全球第一［1］.機(jī)動(dòng)車數(shù)量的大規(guī)模增加也帶來了能源消耗過快和環(huán)境污染等問題，降低能源消耗、減少汽車尾氣排放已經(jīng)成為各國需要共同面對(duì)的問題.大量的研究和實(shí)驗(yàn)提出了多種節(jié)能減排技術(shù)，如：渦輪增壓、高壓共軌、稀薄燃燒、電子節(jié)氣門技術(shù)、可變渦流等.相比汽油機(jī)，柴油機(jī)由于其壓縮比較高、動(dòng)力性強(qiáng)、耐久性好、CO 和HC 排放較少、油耗較低、熱效率較高等優(yōu)點(diǎn)使用越來越廣泛［2］.柴油機(jī)性能改善的關(guān)鍵是優(yōu)化燃燒性能，因此，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣方式的改進(jìn)以及缸內(nèi)渦流運(yùn)動(dòng)的重組是目前研究的重點(diǎn).

發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能環(huán)保技術(shù)主要體現(xiàn)在燃油供給系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和其他技術(shù)四個(gè)方面，如圖1 所示.進(jìn)氣系統(tǒng)對(duì)整體氣流的形成起著決定性作用，并直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的渦流運(yùn)動(dòng)及缸內(nèi)空氣與燃油的混合［3］，以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及排放性，是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分.

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能環(huán)保技術(shù)

可變渦流控制技術(shù)可以調(diào)節(jié)缸內(nèi)的渦流強(qiáng)度和充量大小，滿足不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行要求，改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能并減少尾氣排放.實(shí)現(xiàn)可變渦流的方法與柴油機(jī)的氣門個(gè)數(shù)有直接關(guān)系［4］.柴油機(jī)采用可變渦流控制系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)進(jìn)氣量及缸內(nèi)的渦流強(qiáng)度，使發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下保持最佳的流量系數(shù)和渦流比，加速缸內(nèi)的燃油與空氣混合，保證燃燒充分；可變渦流控制系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)燃燒性能的優(yōu)化具有重要作用.

1 可變渦流進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 柴油機(jī)進(jìn)氣管道改進(jìn)方案

在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，柴油是被壓燃的，所以早期的柴油機(jī)燃油系統(tǒng)不使用節(jié)氣門.但隨著全球排放標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步提高，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)也逐漸使用節(jié)氣門，通過實(shí)時(shí)改變節(jié)氣門的開度控制最佳空燃比并調(diào)節(jié)空氣流量，進(jìn)而減少發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的排放和提升發(fā)動(dòng)機(jī)的效率［5］.渦流導(dǎo)向器可以改變氣體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，形成進(jìn)氣渦流，增加缸內(nèi)的渦流強(qiáng)度［6］.借助電子節(jié)氣門和渦流導(dǎo)向器對(duì)現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管道作改進(jìn)設(shè)計(jì)，使之能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況調(diào)節(jié)進(jìn)氣量和渦流強(qiáng)度.具體改進(jìn)方案如下：

方案一：在現(xiàn)有進(jìn)氣管道中安裝渦流導(dǎo)向器和電子節(jié)氣門，如圖2.方案二：將原管道改為主副管道進(jìn)氣方式，設(shè)有直流管道和渦流管道，采用Y 字型結(jié)構(gòu)，直流管道安裝電子節(jié)氣門，渦流管道安裝渦流導(dǎo)向器，如圖3.渦流導(dǎo)向器用于產(chǎn)生進(jìn)氣渦流，電子節(jié)氣門用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量并調(diào)節(jié)渦流比，進(jìn)氣管道由外徑為74 mm、內(nèi)徑為72 mm 的不銹鋼管加工而成.

圖2 方案一示意圖

圖3 方案二示意圖

1.2 進(jìn)氣管道仿真分析

運(yùn)用CFD 仿真技術(shù)對(duì)改進(jìn)后的柴油機(jī)進(jìn)氣管道進(jìn)行計(jì)算，一方面可以比較兩種方案的優(yōu)劣，從而確定最佳方案；另一方面可以獲取進(jìn)氣管道的相關(guān)數(shù)據(jù).方案一和方案二在不同開度下的示意圖如圖4、圖5 所示.

圖4 方案一不同開度示意圖

圖5 方案二不同開度示意圖

采用FLUENT 進(jìn)行仿真分析之前，需要判斷進(jìn)氣管內(nèi)的氣體流動(dòng)是層流還是湍流，并對(duì)模型做一些簡化處理.采用雷諾數(shù)Re區(qū)分氣體流動(dòng)方式.其定義為：

式中：ρ為空氣密度kg/m3，μ 為空氣粘度N·s/m2，d為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管道內(nèi)徑，v為進(jìn)氣管道氣體流流速m/s.

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，進(jìn)氣管道的氣體流動(dòng)速度很大.由公式（1）計(jì)算得，發(fā)動(dòng)機(jī)在最高轉(zhuǎn)速時(shí)的雷諾數(shù)為Re=1.69×105，最低轉(zhuǎn)速時(shí)的雷諾數(shù)為Re=0.64×105，均大于臨界雷諾數(shù)Re≈2000～2600，由此可見，進(jìn)氣管道內(nèi)的氣體流動(dòng)為湍流.

簡化后的模型將電子節(jié)氣門視為一個(gè)閥片，并考慮節(jié)氣門在進(jìn)氣管內(nèi)參與流體的節(jié)流作用，其余部分如電機(jī)等不考慮.湍流模型選用RNG K-ε雙方程模型，研究表明，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)仿真計(jì)算中，K-ε模型的計(jì)算精度可以達(dá)到要求［7］.

通過對(duì)改進(jìn)后的可變進(jìn)氣管道進(jìn)行仿真分析，改進(jìn)后的進(jìn)氣管道增添了電子節(jié)氣門和渦流導(dǎo)向器，進(jìn)氣管道內(nèi)的渦流強(qiáng)度明顯提高，進(jìn)氣量和渦流強(qiáng)度受電子節(jié)氣門開度的調(diào)節(jié)［8］.表1 為計(jì)算處理后的結(jié)果.圖6 和圖7 為不同開度下流量系數(shù)和渦流比的趨勢(shì)結(jié)果圖.

從圖6 可以看出，兩個(gè)設(shè)計(jì)方案的渦流比均隨著電子節(jié)氣門開度的增大而減少.方案一的可變進(jìn)氣管道產(chǎn)生的最大渦流強(qiáng)度為2.15，大于方案二的最大渦流強(qiáng)度1.78.在電子節(jié)氣門開度100%時(shí)，方案一的渦流比仍高于方案二開度全開時(shí)的渦流比，這是因?yàn)榉桨付捎肶 型管設(shè)計(jì)，在兩管交匯處，氣流之間相互沖擊和撞擊后會(huì)產(chǎn)生部分動(dòng)能損失，且彎管處存在壓力損失.

圖6 不同開度下的渦流比

表1 不同開度下的流量系數(shù)和渦流比

流量系數(shù)與節(jié)氣門開度的關(guān)系如圖7 所示，流量系數(shù)隨著電子節(jié)氣門開度的增加而增大.方案二給出的可變進(jìn)氣管道的最大流量系數(shù)大于方案一，在節(jié)氣門開度為5%時(shí)，方案一的流量系數(shù)只有0.05，而方案二由于是雙管道進(jìn)氣仍然還有0.48.柴油機(jī)工作時(shí)，對(duì)進(jìn)氣量要求很高［9］.方案一電子節(jié)氣門開度在5%～40%范圍內(nèi)的流量系數(shù)過低，無法滿足柴油機(jī)的進(jìn)氣量要求.因此，在柴油機(jī)工作時(shí)不能夠進(jìn)行有效利用，縮小了節(jié)氣門的調(diào)節(jié)范圍.

圖7 不同開度下的流量系數(shù)

根據(jù)以上的分析結(jié)果可知，方案一和方案二都能夠?qū)M(jìn)氣進(jìn)行重新組織，改變發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量和渦流強(qiáng)度，使之隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況作出相應(yīng)調(diào)整.方案一產(chǎn)生的渦流強(qiáng)度大于方案二，但在節(jié)氣門開度小于40%時(shí)流量系數(shù)過低，對(duì)于進(jìn)氣量要求較高的柴油機(jī)來說，這顯然是無法滿足進(jìn)氣要求的.方案二在保證進(jìn)氣量的同時(shí)，也能夠增加發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣渦流，通過改變電子節(jié)氣門的開度實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣量和渦流比的調(diào)節(jié)，最終選定方案二.改進(jìn)后的可變進(jìn)氣管道結(jié)構(gòu)組成如圖8 所示，主要由Y 型管道、電子節(jié)氣門、渦流導(dǎo)向器、空氣濾清器、橡膠連接圈等組成.

圖8 改進(jìn)后的可變進(jìn)氣管道結(jié)構(gòu)

2 基于模型的最佳開度研究

2.1 節(jié)氣門開度與占空比的關(guān)系

電子節(jié)氣門兩端的驅(qū)動(dòng)電壓取決于占空比的大小［10］.圖9 為節(jié)氣門開度與占空比的關(guān)系圖，隨著占空比的增加，節(jié)氣門開度逐漸增大.在開啟過程中，節(jié)氣門最小驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)應(yīng)的PWM 占空比為17%，當(dāng)PWM 占空比為38%時(shí)，節(jié)氣門開度為100%，處于全開狀態(tài).為了保障系統(tǒng)的安全性，節(jié)氣門在靜態(tài)位置時(shí)，也稱“跛行回家”位置，并不是處于完全關(guān)閉的狀態(tài)，而是留有一定的開度［11］.此設(shè)計(jì)可以保證電機(jī)在異常斷電情況下回到靜態(tài)位置，保證發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，防止意外事故發(fā)生.電子節(jié)氣門靜態(tài)位置開度與其結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，市場(chǎng)上的電子節(jié)氣門大多在3°～9°范圍內(nèi)，我們選取的電子節(jié)氣門說明書上標(biāo)注的“跛行回家”位置為5°.電子節(jié)氣門結(jié)構(gòu)中，由于存在著回位彈簧、摩擦力等非線性因素影響，其開度與占空比并不呈線性關(guān)系.

圖9 節(jié)氣門開度與占空比的關(guān)系

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)功率與節(jié)氣門開度的關(guān)系

電子節(jié)氣門開度的變化會(huì)改變進(jìn)氣流量和渦流強(qiáng)度［12］，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的功率.圖10至圖13 為發(fā)動(dòng)機(jī)功率在不同開度、不同油門下隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖.發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)，對(duì)渦流強(qiáng)度要求較高，節(jié)氣門開度應(yīng)減少，在高轉(zhuǎn)速時(shí)，對(duì)進(jìn)氣量要求較高，節(jié)氣門開度應(yīng)增加，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率還受噴油量的影響.

圖10 30%油門功率隨轉(zhuǎn)速的變化

如圖10 所示，在30%油門、轉(zhuǎn)速800 r/min和1000 r/min 情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)在50%節(jié)氣門開度下獲得最大功率，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，在1600 r/min 和1800 r/min 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在節(jié)氣門開度75%條件下獲得的功率比節(jié)氣門開度50%條件下分別增加了1.3 kW 和1.7 kW.相同轉(zhuǎn)速下，發(fā)動(dòng)機(jī)獲得的最大功率還與油門位置相關(guān)，如圖11 和圖12 所示，在同樣1200 r/min轉(zhuǎn)速下，50%油門時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)功率在節(jié)氣門開度50%下獲得最大值，而在75%油門下獲得最大功率對(duì)應(yīng)的節(jié)氣門開度為25%.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于低速100%油門時(shí)，如圖13 所示，發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速1100 r/min、節(jié)氣門開度10%的情況下獲得的功率均大于其他節(jié)氣門開度.由此可見，發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下要獲得最大功率，對(duì)應(yīng)的節(jié)氣門開度也不相同.

圖11 50%油門功率隨轉(zhuǎn)速的變化

圖12 70%油門功率隨轉(zhuǎn)速的變化

圖13 100%油門功率隨轉(zhuǎn)速的變化

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與節(jié)氣門開度的關(guān)系

發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩可以作為衡量發(fā)動(dòng)機(jī)加速能力的具體指標(biāo)［13］，發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩一般出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)的中、低轉(zhuǎn)速的范圍，隨著轉(zhuǎn)速的提高，扭矩反而會(huì)下降.圖14 至圖17 為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩在節(jié)氣門不同開度、不同油門隨轉(zhuǎn)速的變化情況.

圖14 30%油門扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化

圖15 50%油門扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化

圖16 70%油門扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化

圖17 100%油門扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化

如圖15 所示，在50%油門下發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出扭矩由于節(jié)氣門開度的不同而存在差異，節(jié)氣門開度75%下的輸出扭矩比節(jié)氣門開度10%下增加38 N·m.相同油門開度、不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)所需的進(jìn)氣量和渦流強(qiáng)度不同，如圖16 所示，70%油門開度下，發(fā)動(dòng)機(jī)在1200 r/min 轉(zhuǎn)速下獲得最大輸出扭矩節(jié)氣門開度為25%，1400 r/min 轉(zhuǎn)速下最大扭矩對(duì)應(yīng)開度為50%，1900 r/min 轉(zhuǎn)速下在節(jié)氣門開度100%條件下獲得最大扭矩.噴油量的改變也會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出，當(dāng)油門開度增加時(shí)，噴油量增多，在相同轉(zhuǎn)速下，為了更好地與空氣混合，增加缸內(nèi)的渦流強(qiáng)度，促進(jìn)油氣 混 合［14］.如 圖17 所 示，在1400 r/min 轉(zhuǎn) 速下，100%油門開度對(duì)應(yīng)的最佳開度變?yōu)?5%.柴油機(jī)對(duì)進(jìn)氣量要求很高，從圖中可以看出，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于2000 r/min 時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)均在節(jié)氣門開度100%下獲得最大輸出扭矩.

2.4 不同工況下節(jié)氣門最佳開度MAP 圖

發(fā)動(dòng)機(jī)工況的改變會(huì)導(dǎo)致所需的進(jìn)氣量和渦流強(qiáng)度也會(huì)隨之改變，根據(jù)不同轉(zhuǎn)速、不同油門開度工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率和扭矩的輸出，可以制定出電子節(jié)氣門最佳開度，從而使得發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下獲得的最佳進(jìn)氣量和渦流比發(fā)揮出最大性能.可變渦流控制系統(tǒng)可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和油門位置查詢最佳目標(biāo)開度，利用MAP 圖來控制節(jié)氣門的開度變化.圖18 即為利用仿真模型得到的不同工況下可變渦流控制系統(tǒng)節(jié)氣門最佳開度的MAP 圖.

圖18 不同工況下節(jié)氣門最佳開度

3 可變渦流控制系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)

可變渦流發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架可用于研究可變渦流控制系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)性能的影響.其試驗(yàn)臺(tái)架包括各種控制裝置、測(cè)控系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備等，結(jié)構(gòu)如圖19 所示.

圖19 可變渦流發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)圖

3.2 主要測(cè)試儀器與設(shè)備

發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)架作為一個(gè)測(cè)試控制系統(tǒng)，由眾多的控制裝置組成，能夠完成各種各樣的測(cè)試試驗(yàn)，如發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出、扭矩輸出、燃油消耗率、排放性試驗(yàn)以及其他各種負(fù)荷工況試驗(yàn)等.

（1）試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù).試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為柴油內(nèi)燃機(jī)，由東風(fēng)康明斯有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為ISDe230，主要性能參數(shù)見表2.

表2 柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)

（2）試驗(yàn)控制裝置.①FC2420TX 水溫控制裝置.FC2420TX 系列水溫控制裝置如圖20 所示，可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行工況下有足夠的循環(huán)量.②FC2430TX 油溫控制裝置.FC2430TX油溫控制裝置如圖21 所示，用于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度調(diào)節(jié).③FC2012 電力測(cè)功機(jī)控制儀.電力測(cè)功機(jī)控制儀既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制，也能測(cè)量其不同工況下的性能參數(shù)，其測(cè)控系統(tǒng)控制柜和交流電力測(cè)功機(jī)如圖22 和圖23 所示.④FC2440T2 燃油溫度調(diào)節(jié)裝置.FC2440T2 燃油溫度調(diào)節(jié)裝置如圖24 所示，用于調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油溫度.⑤FC2212L 流量油耗儀.FC2212L 系列流量油耗儀如圖25 所示，可以獨(dú)立測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗量.⑥可變渦流控制系統(tǒng).可變渦流控制系統(tǒng)主要包括可變進(jìn)氣管道、供電電源、硬件、軟件、控制策略等.可變進(jìn)氣管道主要由電子節(jié)氣門、渦流導(dǎo)向器、Y 型管道等組成.

整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)架還包括排放檢測(cè)設(shè)備及信號(hào)采集系統(tǒng)，用于采集發(fā)動(dòng)機(jī)的許多重要的信號(hào)，比如轉(zhuǎn)速、油門開度、負(fù)載、油壓、油溫、水溫等.而且可以實(shí)時(shí)傳輸至測(cè)控系統(tǒng)，同時(shí)還能夠拓展連接外設(shè)備.可變渦流控制系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架如圖26 所示.

圖20 水溫控制裝置

圖21 油溫控制裝置

圖22 測(cè)控系統(tǒng)控制柜

圖23 交流電力測(cè)功機(jī)

3.3 試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析

（1）試驗(yàn)內(nèi)容.基于交流測(cè)功機(jī)測(cè)試出可變渦流發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、不同油門負(fù)荷工況下的輸出性能，與常規(guī)進(jìn)氣方式的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，探究可變渦流控制系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)功率、扭矩、燃油消耗率和排放性的影響.

（2）試驗(yàn)結(jié)果分析.根據(jù)測(cè)試得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析發(fā)動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為1000～2200 r/min、油門負(fù)荷分別為50%和75%工況下，可變渦流控制系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)性能的影響，同時(shí)驗(yàn)證控制策略的可行性.

①可變渦流控制系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)功率的影響.柴油機(jī)功率受轉(zhuǎn)速和油門負(fù)荷共同影響.圖27 為常規(guī)進(jìn)氣方式和可變渦流進(jìn)氣控制的柴油機(jī)在不同油門負(fù)荷和不同轉(zhuǎn)速工況下的功率輸出對(duì)比圖，在低速和高速工況下，柴油機(jī)的輸出功率均有明顯提升，且隨著油門負(fù)荷的增加，功率提升明顯，而在中速工況下提升不明顯.在低速50%油門負(fù)荷工況下，采用可變渦流控制系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率最大提升了7.5%，而在低速75%油門負(fù)荷工況下，功率最大提升了9.8%，主要原因是采用常規(guī)的進(jìn)氣方式柴油機(jī)無法隨著發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)節(jié)缸內(nèi)的渦流強(qiáng)度［15］，可變渦流控制系統(tǒng)增加了進(jìn)氣渦流，有利于缸內(nèi)燃油和空氣的混合，低速工況下，油門增加，較高的渦流運(yùn)動(dòng)可以使更多的燃油充分燃燒，提升柴油機(jī)功率.在高速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)柴油機(jī)功率最大提升3.8%.

圖24 燃油溫度調(diào)節(jié)裝置

圖25 流量油耗儀

圖26 可變渦流控制系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架

②可變渦流控制系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)扭矩的影響.柴油機(jī)在常規(guī)進(jìn)氣和可變渦流進(jìn)氣下扭矩輸出對(duì)比情況如圖28 所示.采用可變渦流進(jìn)氣控制后，柴油機(jī)最大扭矩在50%油門負(fù)荷和75%油門負(fù)荷下分別提高了9.7 N·m 和5.6 N·m.但柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速50%油門負(fù)荷工況時(shí)，輸出扭矩最大增加了31 N·m，提高了6.16%；75%油門負(fù)荷工況下，扭矩最大提升了9.16%.高轉(zhuǎn)速工況下，扭矩最大提升了2.03%.由此可見，可變渦流進(jìn)氣可以明顯提升發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速工況的扭矩，且隨著油門負(fù)荷的增加，提升值變大.

圖27 柴油機(jī)功率輸出對(duì)比圖

圖28 柴油機(jī)扭矩輸出對(duì)比圖

③可變渦流控制系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)燃油消耗率的影響.圖29 是實(shí)驗(yàn)室ISDe230 型號(hào)柴油機(jī)在50%油門負(fù)荷和75%油門條件下負(fù)荷原機(jī)和采用可變渦流控制系統(tǒng)的燃油消耗率對(duì)比圖.從圖中可以看出，50%油門負(fù)荷條件下，柴油機(jī)最佳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速在1400 r/min 附近；75%油門負(fù)荷條件下，最低燃油消耗率在1600 r/min左右.低速工況下，可變渦流進(jìn)氣控制的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率最大降低了4.12%.常規(guī)進(jìn)氣方式的柴油機(jī)在低速高負(fù)荷工況下的進(jìn)氣量小，缸內(nèi)形成的濃混合氣由于沒有足夠的渦流強(qiáng)度燃燒不完全.采用可變渦流進(jìn)氣方式后，燃燒質(zhì)量得到極大改善.高速工況下，柴油機(jī)燃油消耗率最大降低1.5%.

圖29 柴油機(jī)燃油消耗率對(duì)比圖

④可變渦流控制系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)排放性的影響.柴油機(jī)主要排放物為PM 和NOx 排放物.然而，由于柴油機(jī)排氣微粒與NOx 的生成機(jī)理不同，很難做到同時(shí)降低.本文根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)兩種主要排放物進(jìn)行分析.

柴油機(jī)煙度在不同油門負(fù)荷的對(duì)比如圖30 所示.其煙度與空氣系數(shù)和缸內(nèi)的燃燒狀況有關(guān).50%油門負(fù)荷條件下，煙度在1400 r/min附近達(dá)到最小值；75%油門負(fù)荷條件下，煙度在1600 r/min 左右達(dá)到最小值.在低速偏高負(fù)荷工況下，由于空氣相對(duì)不足，氣流運(yùn)動(dòng)減弱，導(dǎo)致煙度急劇上升.此時(shí)，提高氣缸內(nèi)的渦流強(qiáng)度有利于促進(jìn)燃料霧化和揮發(fā)，降低煙度排放.從對(duì)比圖可以看出，柴油機(jī)采用可變渦流控制后煙度均下降.低速工況下煙度減小的幅度大于高速工況，在低速75%油門負(fù)荷工況下，煙度最大下降了13.65%；高速工況下，煙度最大下降了3.42%；中等轉(zhuǎn)速工況下，煙度下降不明顯，只比常規(guī)進(jìn)氣的發(fā)動(dòng)機(jī)下降0.05～0.07 Rb 左右.

圖30 柴油機(jī)煙度對(duì)比圖

圖31 為常規(guī)進(jìn)氣和可變渦流控制柴油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、不同油門負(fù)荷工況下NOx 排放對(duì)比圖.NOx 排放物隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的增加而增多.在中等轉(zhuǎn)速偏大負(fù)荷時(shí)，由于這時(shí)燃燒溫度高，而且燃?xì)庵泻醵啵琋Ox 排放上升得最快.在50%油門負(fù)荷低速工況下，NOx排放量最大增加了13.68%；75%油門負(fù)荷條件下，NOx 排放量最大增加了16.74%.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于高轉(zhuǎn)速工況時(shí)，電子節(jié)氣門全開，渦流管道和直流管道共同進(jìn)氣，過量空氣系數(shù)進(jìn)一步增大，缸內(nèi)溫度下降，導(dǎo)致NOx 生成量稍微減少.高轉(zhuǎn)速時(shí)排放量最大減少了0.13 g/（kW·h），下降2.13%.

圖31 柴油機(jī)NOx 排放對(duì)比圖

4 結(jié)論

文章基于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有交流電力測(cè)功系統(tǒng)搭建試驗(yàn)臺(tái)架，通過原機(jī)常規(guī)進(jìn)氣方式和可變渦流進(jìn)氣控制分別在50%油門負(fù)荷和75%油門負(fù)荷、不同轉(zhuǎn)速工況下進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）動(dòng)力性.相比常規(guī)進(jìn)氣方式的柴油機(jī)，可變渦流控制系統(tǒng)能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況調(diào)節(jié)進(jìn)氣量和渦流比，增加缸內(nèi)的渦流強(qiáng)度，改善油氣混合度和燃燒情況.在相同工況下，可變渦流進(jìn)氣控制的柴油機(jī)功率最大提升9.8%，扭矩最大提升6.16%.

（2）經(jīng)濟(jì)性.在低速工況下，可變渦流進(jìn)氣控制的柴油機(jī)相比常規(guī)進(jìn)氣方式的柴油機(jī)燃油消耗率最大降低4.12%，在中高轉(zhuǎn)速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸運(yùn)動(dòng)行程時(shí)間縮短，燃燒時(shí)間減少，渦流對(duì)其缸內(nèi)的混合氣影響降低，燃油消耗率下降不明顯.

（3）排放性.顆粒物和氮氧化物是柴油機(jī)的主要排放物.可變渦流進(jìn)氣控制能夠促進(jìn)燃料霧化和揮發(fā)，降低煙度排放，但渦流強(qiáng)度的增加使得柴油機(jī)在低速大負(fù)荷工況下缸內(nèi)溫度上升，造成NOx 排放量增加.在低速75%油門負(fù)荷工況下，煙度最大降低13.65%，而NOx 增加了16.74%.

（4）對(duì)于可變渦流控制系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)性能的影響，低轉(zhuǎn)速大于高轉(zhuǎn)速，同一轉(zhuǎn)速下還與油門負(fù)荷相關(guān)；低速工況下，大負(fù)荷的影響高于小負(fù)荷；隨著轉(zhuǎn)速的升高，可變渦流作用效果下降.