符欲梅　黃微晏　昝昕武　李良波

重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,400044

一種新型汽車進(jìn)氣道被動(dòng)式導(dǎo)流翼片

符欲梅黃微晏昝昕武李良波

重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,400044

針對自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī),設(shè)計(jì)了一種新型被動(dòng)式導(dǎo)流翼片。該翼片安裝在節(jié)氣門后端，用于改善進(jìn)氣道內(nèi)氣流的均勻性。仿真研究結(jié)果表明：對于自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，安裝了該翼片的節(jié)氣門體在常用開度范圍內(nèi)，其后端流場以較小的流量損失換取了渦流比的大幅度提升，且流動(dòng)更均勻。節(jié)氣門性能實(shí)驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)外特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：節(jié)氣門體后端流場在被動(dòng)式導(dǎo)流翼片的作用下，基本沒有流量損失，且燃燒室內(nèi)燃燒更加充分、燃油利用率得到一定程度提高。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：被動(dòng)式導(dǎo)流翼片以低成本和高可靠性，使燃油利用率有一定提升。

自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)；節(jié)氣門體；汽車進(jìn)氣道；被動(dòng)式導(dǎo)流翼片

0　引言

自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出非常平順,不會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)速的變化而出現(xiàn)驟然的猛加速,而且使用壽命長、維修簡便。但自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能比較差，特別是在節(jié)氣門開度較小時(shí)，節(jié)氣門體的單片圓形閥片結(jié)構(gòu)不利于引導(dǎo)進(jìn)氣氣流形成渦流,從而不利于燃油與空氣的充分混合[1]。而氣缸內(nèi)油氣均勻混合有利于提高混合氣體的燃燒效率，從而增強(qiáng)汽車動(dòng)力，降低排放和油耗。因此，為降低油耗、提高燃油利用率，需要對自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣方式進(jìn)行改進(jìn)。

1　現(xiàn)有改進(jìn)技術(shù)

1.1渦輪增壓技術(shù)

渦輪增壓[2]通過提高進(jìn)氣壓力,增加氣缸的充氣量,使燃油充分燃燒，以此增強(qiáng)動(dòng)力并減少排放。

與自然吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)相比,渦輪增壓在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下,功率和扭矩可提高20%～50%[3]。但由于渦輪增壓器經(jīng)常在高速、高溫條件下工作,容易使機(jī)油在高溫下氧化,進(jìn)而影響冷卻系統(tǒng)。在低轉(zhuǎn)速時(shí),汽車排放出的廢氣不足以推動(dòng)排氣渦輪,不但沒有增壓的效果反而造成排氣的阻礙,即產(chǎn)生“渦輪延遲”現(xiàn)象[3]。此外,渦輪增壓汽車價(jià)格昂貴，且維護(hù)成本高。

1.2導(dǎo)流翼片技術(shù)

導(dǎo)流翼片技術(shù)是在自然吸氣類型汽車的節(jié)氣門體前端或后端的進(jìn)氣管道中放置適當(dāng)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流翼片，使得氣流在導(dǎo)流翼片的作用下形成渦流，使燃燒室油氣混合更均勻，燃燒更充分，以此提高燃油利用率。

談乃成等[4]設(shè)計(jì)的導(dǎo)流裝置是一塊圓形板件安裝在空氣濾清器之前。板上有若干開孔，每個(gè)孔的邊緣連接一個(gè)導(dǎo)流片，整個(gè)導(dǎo)流翼片用圓形底座固定。該導(dǎo)流裝置沒有機(jī)械可動(dòng)部件,但是對氣流的阻礙作用很大。當(dāng)節(jié)氣門開度較小時(shí)，進(jìn)氣氣流較弱，如果阻力過大，會(huì)進(jìn)一步削弱進(jìn)氣氣流強(qiáng)度，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。丁年勝等[5]設(shè)計(jì)的導(dǎo)流渦輪安裝在進(jìn)氣歧管接近進(jìn)氣口處，外部輪廓為圓柱狀中空管，內(nèi)部由3根成120°的導(dǎo)流支架固定樞軸,樞軸另一端均勻結(jié)合10片渦輪葉片；該導(dǎo)流渦輪利用渦輪葉片在氣道中產(chǎn)生渦流,結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有機(jī)械可動(dòng)部分,且對氣流阻礙大。歐文斌[6]設(shè)計(jì)的進(jìn)氣渦輪由安裝在節(jié)氣門與空氣濾清器之間的渦輪裝置和安裝在臨近節(jié)氣門體內(nèi)側(cè)進(jìn)氣歧管的導(dǎo)風(fēng)裝置組成,渦輪裝置與丁年勝等[5]設(shè)計(jì)的導(dǎo)流裝置類似，導(dǎo)風(fēng)裝置是中空圓管，圓管內(nèi)周緣向內(nèi)延伸,形成數(shù)個(gè)偏斜排列的倒流鰭,該裝置有助于進(jìn)氣形成渦流，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對氣流阻礙大。Levitz等[7]設(shè)計(jì)的被動(dòng)式導(dǎo)流片安裝于節(jié)氣門后端，該圓形板件上有一個(gè)氣流孔、多個(gè)連接孔，葉片和板是一個(gè)整體，從氣流孔周邊向氣流孔中心延伸；翼片無機(jī)械可動(dòng)部件,對氣流阻礙很小，能在一定程度上增加進(jìn)氣渦流強(qiáng)度，但效果并不是特別明顯。

綜上所述，渦輪增壓技術(shù)是通過提高進(jìn)氣壓力，增加氣缸的充氣量，使得燃油燃燒更加充分。而導(dǎo)流翼片技術(shù)則利用不同結(jié)構(gòu)形式的導(dǎo)流翼片引導(dǎo)進(jìn)氣氣流形成渦流從而使得油氣混合更均勻、燃燒更充分。前者主要針對新投放市場的新型車輛，后者則可針對市場上數(shù)量眾多的在役車輛，因而后者的實(shí)用價(jià)值和研究意義更為重大。

2　新型被動(dòng)式導(dǎo)流翼片

2.1設(shè)計(jì)思想

新型被動(dòng)式導(dǎo)流翼片結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由氣流孔、弧形翼片及安裝基座三部分組成。

圖1　被動(dòng)式導(dǎo)流翼片結(jié)構(gòu)

該導(dǎo)流翼片的安裝基座為一圓形板件，板件中間是氣流孔，周圍由6個(gè)弧形翼片折彎成一定角度形成導(dǎo)流片。氣流孔可適當(dāng)減弱翼片對氣流的阻擋作用，導(dǎo)流翼片則有助于引導(dǎo)進(jìn)氣形成渦流。

該導(dǎo)流翼片安裝在節(jié)氣門體后端，經(jīng)過優(yōu)化后的氣流孔與弧形翼片可使進(jìn)氣氣流在常用節(jié)氣門開度α(0～45°)范圍內(nèi)以較小的流量損失換取渦流比的大幅度提升，使燃燒室內(nèi)空氣燃油充分混合，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。該翼片沒有機(jī)械可動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。

2.2仿真分析

2.2.1跡線分析

將安裝被動(dòng)式導(dǎo)流翼片前后的跡線圖進(jìn)行對比分析。由圖2可以看出,進(jìn)氣道安裝導(dǎo)流翼片前(圖2a、圖2b),大部分氣流流經(jīng)節(jié)氣門環(huán)隙后沿管壁流出,少部分氣流在閥片背后形成兩個(gè)回流。安裝導(dǎo)流翼片后(圖2c、圖2d)，閥片后近管壁的跡線明顯變稀疏，管道軸心處的跡線明顯變密,空氣從閥片流過后在導(dǎo)流翼片的引導(dǎo)下旋轉(zhuǎn)著流出。這說明安裝翼片后相對于安裝翼片前氣流分布更均勻，且節(jié)氣門開度越小效果越明顯。

(a)安裝翼片前(α=10°)

(b)安裝翼片前(α=45°)

(c)安裝翼片后(α=10°)

(d)安裝翼片后(α=45°)圖2　安裝被動(dòng)式導(dǎo)流翼片前后的跡線圖

2.2.2出口截面切向速度分析

由圖3可知,未安裝翼片時(shí)(圖3a、圖3b),節(jié)氣門出口截面的兩側(cè)氣流周向速度相反，越靠近漩渦中心處切向速度越小。開度為45°時(shí)，形成兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的漩渦。這兩個(gè)對稱的漩渦會(huì)導(dǎo)致氣流在管道流動(dòng)時(shí)，切向速度相互抵消使氣流運(yùn)動(dòng)減弱，不利于空氣與燃油的充分混合，會(huì)對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能造成不利影響。

安裝翼片后(圖3c、圖3d),氣流在出口截面切向形成一個(gè)規(guī)則的渦流，從軸心到管壁附近速度基本上呈逐漸增大的趨勢，且比未安裝導(dǎo)流翼片的切向速度大。這說明安裝翼片后，氣流運(yùn)動(dòng)得到加強(qiáng)，能夠促使氣缸內(nèi)油氣混合更加充分。

(a)安裝翼片前(α=10°)(b)安裝翼片前(α=45°)

(c)安裝翼片后(α=10°)　(d)安裝翼片后(α=45°)圖3　節(jié)氣門出口截面處的切向速度矢量圖

2.2.3YZ切平面湍流分布分析

湍流強(qiáng)度會(huì)直接影響空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸體后與燃油的混合程度，適當(dāng)強(qiáng)化出口湍流強(qiáng)度，有利于空氣與燃油更均勻地混合。圖4為YZ切平面上湍流強(qiáng)度等值線云圖。

(a)安裝翼片前(α=10°,α=45°)

(b)安裝翼片后(α=10°)

(c)安裝翼片后(α=45°)圖4　YZ切平面上湍流強(qiáng)度等值線云圖

在節(jié)氣門加導(dǎo)流翼片前(圖4a),其后端流場總的來說湍流強(qiáng)度是比較小的，且在出口處湍流強(qiáng)度明顯減弱。特別是當(dāng)開度為10°時(shí),由于空氣流量較小，單閥片式節(jié)氣門體不能有效引導(dǎo)氣流形成渦流。從圖4b、圖4c可以看到,安裝導(dǎo)流翼片后,無論開度是45°還是10°,導(dǎo)流翼片都能使節(jié)氣門體后端湍流強(qiáng)度明顯增大,且氣流分布更為均勻。

2.2.4流量系數(shù)與渦流比分析

分別計(jì)算不同節(jié)氣門開度的流量系數(shù)和渦流比,如圖5所示。

(a)流量系數(shù)的對比圖

(b)渦流比的對比圖圖5　安裝導(dǎo)流翼片前后的流量系數(shù)及渦流比對比圖

通過對比可知,在節(jié)氣門常用開度范圍(0～45°)內(nèi),安裝導(dǎo)流翼片后流量系數(shù)有一定程度的減小，但減小幅度很小，而渦流比卻得到顯著提高。

2.2.5仿真結(jié)果總結(jié)

由以上仿真分析可知：在常用節(jié)氣門開度范圍內(nèi)，導(dǎo)流翼片使節(jié)氣門后端氣流運(yùn)動(dòng)加劇，湍流強(qiáng)度增強(qiáng)，管道各處氣流流動(dòng)、分布更均勻，且流量損失較小，渦流比大幅度提高。

3　實(shí)驗(yàn)分析

3.1節(jié)氣門體性能實(shí)驗(yàn)

將導(dǎo)流翼片在專用節(jié)氣體門實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行對比測試，得到不同節(jié)氣門開度和相同出口壓力(10 kPa)下的空氣流量，如圖6所示。

圖6　安裝翼片前后空氣流量對比

由于實(shí)驗(yàn)時(shí),節(jié)氣門出口壓力不可能完全相同,使得在某些開度下安裝翼片后的空氣流量稍大于安裝翼片前的空氣流量。但總體上可表明在節(jié)氣門常用開度范圍(0～45°)內(nèi),安裝導(dǎo)流翼片后節(jié)氣門后端氣流幾乎沒有流量損失,與仿真結(jié)果十分吻合。

3.2發(fā)動(dòng)機(jī)外特性實(shí)驗(yàn)

將3種不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流翼片安裝在某款排量為1.2 L的直列四缸四沖程橫置式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行外特性對比測試(最大功率為64 kW,最大扭矩為114 N·m),得到發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的有效功率和油耗,如圖7、圖8所示。

圖7　安裝翼片前后功率對比

圖8　安裝翼片前后油耗對比

為進(jìn)一步驗(yàn)證該被動(dòng)式導(dǎo)流翼片是否能對燃油利用率起到改善作用,將安裝翼片前后的燃油消耗率進(jìn)行對比。燃油消耗即單位有效功率的燃油消耗量be[8]的單位為g/(kW·h)，其計(jì)算公式為

be=1000B/Pe

(1)

式中,B為發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗,kg/h;Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率,kW。

安裝翼片前后燃油消耗率對比如圖9所示。為更明顯地表示3種翼片測試結(jié)果的差異,通過計(jì)算求出不同轉(zhuǎn)速下,安裝導(dǎo)流翼片后發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率下降百分比,見表1。

圖9　安裝翼片前后燃油消耗率對比

轉(zhuǎn)速(r/min)燃油消耗率下降百分比(%)方案1(翼片1)方案2(翼片2)方案3(翼片3)1000-2.01971.61721.2658150000.70420.704220000.85352.52261.18392500-0.39791.70290.51383000-0.02790.76411.10363500-0.18120.63410.99644000-0.5797-0.07260.65084500-0.9052-0.32810.75515000-0.49860.33100.75555500-0.05810.36440.86746000-1.25641.19011.1629

由圖9和表1可知,與原狀態(tài)(安裝導(dǎo)流翼片之前)相比，方案1在獲得相同的有效功率時(shí)，燃油消耗率較原狀態(tài)高。方案2和方案3在同原狀態(tài)獲得相同的有效功率時(shí)，燃油消耗率較原狀態(tài)有下降的趨勢。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)

由節(jié)氣門性能實(shí)驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)外特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：在節(jié)氣門常用開度范圍內(nèi)，安裝導(dǎo)流翼片后，節(jié)氣門后端空氣流量基本不變，且在獲得相同有效功率的情況下，方案2和方案3在發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速下油耗呈下降趨勢。

4　結(jié)論

(1)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，安裝被動(dòng)式翼片之后節(jié)氣門后端氣流在整個(gè)管道內(nèi)分布更均勻，湍流強(qiáng)度明顯增大，出口截面形成一個(gè)規(guī)則的渦流，出口速度大幅增大，且在節(jié)氣門體常用開度范圍內(nèi)，節(jié)氣門后端流場流量系數(shù)小幅度減小,渦流比大幅度提高。

(2)節(jié)氣門體專用實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，安裝導(dǎo)流翼片后，在節(jié)氣門體常用開度范圍內(nèi)，導(dǎo)流翼片對氣流阻礙作用小，幾乎沒有流量損失。

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，安裝導(dǎo)流翼片后，發(fā)動(dòng)機(jī)在輸出相同有效功率的情況下，方案1的燃油消耗率較原狀態(tài)高。方案2和方案3在發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速下燃油消耗率較原狀態(tài)有下降的趨勢。由此可知導(dǎo)流翼片結(jié)構(gòu)對其性能有較大的影響，若對其結(jié)構(gòu)參數(shù)和形狀進(jìn)行優(yōu)化，有可能進(jìn)一步提高其性能。

(4)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該被動(dòng)式導(dǎo)流翼片對氣流阻礙作用很小，能有效引導(dǎo)氣流形成渦流，改善節(jié)氣門后端氣流均勻性，并且性價(jià)比高。被動(dòng)式導(dǎo)流翼片以低成本、高可靠性，使燃油消耗在發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速下呈下降趨勢。因此，本文設(shè)計(jì)的被動(dòng)式導(dǎo)流翼片是有益的嘗試。

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(編輯陳勇)

A Noval Passive Flow Vane in Automobile Air Intake

Fu YumeiHuang WeiyanZan XinwuLi Liangbo

Key Laboratory for Optoelectronic Technology & Systems, Ministry of Education，Chongqing University,Chongqing,400044

Aimed at the automobile with naturally aspirated engine,a new passive flow vane was presented herein.It is installed behind the throttle valve body to improve the uniformity of air flow in the intake system.The simulation results show that the swirl ratio is increased with a small flow rate loss,meanwhile the uniform of flow field behind throttle valve body are improved after installing the passive flow vane to the naturally aspirated engine.The throttle performance tests and engine external characteristic tests show that there almost have no flow loss,the fuel in combustor is burned fully and the fuel consumption is decreased in the common opening range of the throttle valve.The simulations and tests show that the passive flow vane improves fuel efficiency to a certain extent with low cost and high reliability.

naturally aspirated engine;throttle valve body;automobile air intake;passive flow vane

2015-01-16

U467.21DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.20.024

符欲梅,女,1972年生。重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授、博士。主要研究方向?yàn)樾畔@取及處理、汽車電子。黃微晏，女，1989年生。重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生。昝昕武，男，1969年生。重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授、博士。李良波，男，1984年生。重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生。