萬雨欣,王 睿,趙大柱,閔可欣,汪獻(xiàn)偉
(江蘇理工學(xué)院 機械工程學(xué)院,江蘇 常州 213001)
傳統(tǒng)自吸式發(fā)動機的動力傳輸平穩(wěn),在發(fā)動機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時,不會造成突然的速度改變,而且發(fā)動機的壽命較長,維護方便。但自吸式發(fā)動機在汽車節(jié)氣門開合度較小的時候動力性能較差,節(jié)氣門的閥片呈圓形結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)不能使氣流形成渦流,因此不利于油氣充分混合。而氣缸內(nèi)燃油與空氣充分混合,不但可以改善燃燒效率、增強汽車動力,而且還能達(dá)到節(jié)能減排的目的。因此,為實現(xiàn)節(jié)能減排、提高燃燒效率,通常對傳統(tǒng)自然吸氣式發(fā)動機的進(jìn)氣方式進(jìn)行改進(jìn)。目前常用的方式有兩種,第一是渦輪增壓技術(shù)[1-4],大多通過提高發(fā)動機進(jìn)氣氣流的壓力,增加氣缸的進(jìn)氣量,使得油氣充分混合,燃燒徹底,從而增強引擎動力并降低污染物的排放。與傳統(tǒng)的自吸式發(fā)動機進(jìn)行比較,搭配渦輪增壓技術(shù)的發(fā)動機可以在不改變原有結(jié)構(gòu)尺寸的情況下,使發(fā)動機的功率和扭矩提高20%~50%。不過由于渦輪增壓裝置通常處于高速、高溫的工作環(huán)境,容易使機油在高溫下迅速氧化,時間稍長就會產(chǎn)生油泥和積碳,影響發(fā)動機的潤滑。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低的時候,會使發(fā)動機排出的尾氣無法推動排氣渦輪,這樣一來不但不會起到增大進(jìn)氣氣流壓力的作用,反而還會使排氣阻力增大,產(chǎn)生渦輪遲滯。渦輪增壓設(shè)備的成本較高,而且維修和保養(yǎng)的費用也相對傳統(tǒng)自吸式發(fā)動機更高。第二是導(dǎo)流裝置技術(shù)[5-8],是在自吸式汽車節(jié)氣門體的進(jìn)氣管道中放置導(dǎo)流裝置,使氣流在導(dǎo)流裝置的作用下形成渦流,使油氣充分混合。
談乃成等[9]設(shè)計的導(dǎo)流裝置是一塊安裝在氣缸頭與進(jìn)氣管連接處的圓形板件。主要依靠板上若干開孔的邊緣所連接的傾斜導(dǎo)流葉片。該導(dǎo)流葉片能伸入氣缸頭進(jìn)氣口,使內(nèi)燃機進(jìn)氣產(chǎn)生旋流,從而增大進(jìn)氣量。然而該導(dǎo)流裝置對于發(fā)動機進(jìn)氣氣流的阻礙作用較大,在發(fā)動機的節(jié)氣門開度較小的情況下,導(dǎo)流葉片不能偏向進(jìn)氣通道底面,此時進(jìn)氣氣流較弱,不能增強渦流強度,嚴(yán)重時可能導(dǎo)致發(fā)動機熄火。丁年勝等[10]設(shè)計的導(dǎo)流裝置是安裝在進(jìn)氣口的一種被動式進(jìn)氣渦輪裝置。該裝置的外部為空心圓柱筒狀結(jié)構(gòu),在其內(nèi)部有三根導(dǎo)流支架均勻分布,連接中心軸。在另一端,中心軸均勻結(jié)合10 片渦輪葉片。正因為該渦輪的葉片方向與弧形曲線的方向一致,使得在氣道中產(chǎn)生的渦流增強,動力增大,且其中機械可運動的部分會對氣道中的氣流產(chǎn)生阻力。歐文斌等[11]設(shè)計的導(dǎo)流裝置是由安裝在節(jié)氣門體與空濾之間的渦輪裝置和安裝節(jié)氣門體之后到氣缸蓋進(jìn)氣道之前的進(jìn)氣管路的導(dǎo)風(fēng)裝置組成,這款導(dǎo)流裝置與丁年勝等[10]設(shè)計的有些相似。其導(dǎo)風(fēng)裝置是中空圓管,通過它吸入引擎內(nèi)的空氣,使進(jìn)氣氣流在中空管形成螺旋氣流,油氣充分混合,引擎充分燃燒。但其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。Levitz 等[12]設(shè)計的被動式導(dǎo)流裝置安裝于節(jié)氣門后端,該裝置的葉片和板為整體無可運動部分,從氣流孔周邊向其中心延展,所以對氣流阻礙很小,從而可以增加進(jìn)氣渦流強度,但效果并不理想。北京中歆環(huán)??萍加邢薰鹃_發(fā)的采用蜂巢式結(jié)構(gòu),見圖1,其主要原理是使氣體進(jìn)入引擎的氧分子密度加大,霧化程度提高,增加空氣與燃油的接觸面積,達(dá)到更理想的油氣混合比例。但是,上述蜂巢式引擎助燃裝置結(jié)構(gòu)采用的是內(nèi)環(huán)與外環(huán)的單層結(jié)構(gòu),且軸體中空,不能形成收縮通道。
圖1 蜂窩式導(dǎo)流裝置
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,本團隊對傳統(tǒng)助燃裝置的扁平化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。本引擎助燃裝置主要包括第一、二、三、四導(dǎo)流環(huán)體,第一、二導(dǎo)流通孔,導(dǎo)流塊及導(dǎo)流板等。本裝置沿軸向方向置入引擎的進(jìn)氣管內(nèi),且第I 導(dǎo)流部靠近進(jìn)氣管口。當(dāng)氣流通過時,在內(nèi)外導(dǎo)流通道的聯(lián)合作用下,氣流被加速,從而增加引擎單位時間的進(jìn)氣量。
圖2 導(dǎo)流裝置優(yōu)化結(jié)構(gòu)
本導(dǎo)流裝置由以鈰、銻、釹、釓等多元素為配方的稀土材料混合尼龍(加纖)注塑而成。根據(jù)稀土族元素的短波激光性質(zhì)以及光譜能級差異,不同的稀土元素配合物可造成短波速差動力,產(chǎn)生短波能量。短波能量會激發(fā)空氣,其穿透能力使空氣處于較高的震蕩狀態(tài),對氣流產(chǎn)生推進(jìn)作用,增加了引擎單位時間的進(jìn)氣量,使油和氣充分混合。此外,鈰的高度活性,能夠產(chǎn)生微爆效應(yīng),從而促進(jìn)充分燃燒,增強引擎動力。在加工本導(dǎo)流裝置時,首先稱取適量的PA6、CeO2,經(jīng)高速混合機混合均勻后,采用雙螺桿擠出機熔融擠出,經(jīng)冷卻、牽引、切粒得到不同CeO2用量的PA6/CeO2共混粒料。原料制成后,按照圖3 工藝過程進(jìn)行生產(chǎn)。
圖3 導(dǎo)流裝置加工工藝
為了進(jìn)一步驗證此款車輛引擎導(dǎo)流裝置在提升燃油燃燒效率方面的效果,分別將3 種不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)流裝置(分別適用于貨車、客車和私家車)安裝在一款排量為1.2 L 的直列四缸橫置式汽油發(fā)動機上進(jìn)行特性測試(最大功率為64 kW,最大扭矩114 N·m),得到發(fā)動機在變轉(zhuǎn)速情況下的燃油消耗率,如圖4所示??梢钥闯?,安裝導(dǎo)流裝置后,在提高同樣的有效功率時,裝置1 安裝后的燃油消耗率相較原先偏高,具體原因有待進(jìn)一步的實驗分析研究。但是其他兩種裝置在安裝后,燃油消耗率呈現(xiàn)出下降趨勢。
圖4 安裝導(dǎo)流裝置前后的燃油消耗率對比
本裝置中的氧化鈰,是提高熱值和減少污染物排放的主要原因。在富氧條件下,LaCeMn 和LaMn對NOx的還原效率差別很大,這表明加入氧化鈰,材料的活性有了明顯的提高。從化學(xué)層面分析,鈰元素是變價元素,即鈰元素的氧化物可以在三價和四價之間變換,如式(1)所示。這種特性使鈰元素在高溫狀態(tài)下具有儲存和釋放氧氣的作用。當(dāng)氣流中的氧氣含量不足時,鈰會從四價轉(zhuǎn)變?yōu)槿齼r,從而釋放出一部分晶格氧。反之,氣流中的氧氣含量過剩時,鈰會從三價變?yōu)樗膬r,吸收一部分氧。在富氧條件下,氧量過剩造成LaMn 對NOx的還原反應(yīng)困難,而鈰的變價性質(zhì)使它具有儲氧作用,將鈰添加到LaMn 中能夠產(chǎn)生一定的脫氧機制。該機制改變了對NOx還原反應(yīng)的反應(yīng)條件,從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。在熱值相同的情況下,加入2%鈰助燃劑,可以使燃油的熱值提高10%~15%,從而減少CO、HC、NOx等污染物排放,同時可以更好地清潔積碳。
為了進(jìn)一步分析本裝置的減排效果,分別將本裝置安裝于別克、帕薩特、本田雅閣三款車型,并檢測安裝前后的尾氣濃度,見表1。由表1 可知本裝置減排效果明顯。
表1 減排效果檢測
此款導(dǎo)流裝置用于發(fā)動機節(jié)氣門體的后端,通過降低進(jìn)氣氣流進(jìn)入節(jié)氣門(開合度0~45 °)時的流量損失,從而提高渦流增壓強度。安裝導(dǎo)流裝置前后的跡線圖如圖5 所示,安裝前,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回流。安裝后,閥片后近管壁的跡線明顯變得稀疏,管道軸心處的跡線明顯變得密集??諝鈴拈y片流過后,在導(dǎo)流裝置的引導(dǎo)下旋轉(zhuǎn)著流出。這說明安裝本裝置后氣流分布更均勻,尤其是在節(jié)氣門開度較小的情況下。
圖5 安裝導(dǎo)流裝置前后的氣流對比
圖6 給出了安裝本裝置前后,節(jié)氣門出口的速度切向矢量。由圖6 可知,未安裝本裝置時,節(jié)氣門出口截面兩側(cè)氣流沿圓周方向的速度不同,越接近漩渦中心處切向速度越小。當(dāng)節(jié)氣門體開合度為45 °時,氣流會形成兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的漩渦。在進(jìn)氣氣流流動時,這兩個對稱漩渦會導(dǎo)致切向速度相互抵平,氣流運動從而減慢。安裝本裝置后,氣流在出口截面切向?qū)纬梢粋€規(guī)則的渦流,從截面中心到外壁附近的速度逐步增大。與安裝導(dǎo)流裝置前比較,此時的的切向速度相比更大。這表明安裝本裝置后,進(jìn)氣口氣流運動會變得更強,可以使燃油充分燃燒。
圖6 安裝導(dǎo)流裝置前后節(jié)氣門出口截面處的切向速度矢量圖
空氣進(jìn)入發(fā)動機缸體后,與燃油的混合程度會隨湍流強度大小而發(fā)生變化,因此適當(dāng)強化出口湍流強度,會有利于空氣與燃油更均勻地混合。圖7為安裝本導(dǎo)流裝置后,節(jié)氣門開度為5 °和45 °的湍流強度等值線云圖。由于節(jié)氣門安裝導(dǎo)流裝置前,其后端流場湍流強度已經(jīng)相當(dāng)?shù)土耍诎惭b后出口處湍流強度減弱則更加明顯。在開度為10 °時,由于進(jìn)氣流量較小,單閥片式節(jié)氣門體不能有效使進(jìn)氣氣流形成規(guī)則渦流。從圖7 可以看到,安裝導(dǎo)流裝置后,當(dāng)節(jié)氣門開度為10 °或是45 °時,節(jié)氣門體后端湍流強度都得到顯著提高。
圖7 安裝導(dǎo)流裝置后的湍流強度
車輛引擎的進(jìn)氣導(dǎo)流裝置是車輛燃油系統(tǒng)的關(guān)鍵元件之一。其工作狀態(tài)的好壞直接影響引擎的動力性能、油耗、啟動的加速性能、旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性及廢氣的排放。本團隊對傳統(tǒng)導(dǎo)流裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和成分優(yōu)化,優(yōu)化后的導(dǎo)流裝置一是提高了單位時間引擎的進(jìn)氣量,促使氫氧分子組織細(xì)微化,增強扭力,提高引擎動力;二是降低油耗,使燃油燃燒更加充分;三是保護環(huán)境,有效降低了CO、HC、NOX等污染物排放。