两种提高缸内反向滚流和正向滚流的遮蔽罩方法

1.前言

汽油机部分负荷的油耗很大程度上影响了整车循环工况下（如NEDC）的综合油耗。因此，提高其部分负荷热效率一直是汽油机燃烧开发的重点任务。而制约部分负荷热效率提高的其中一个重要因素就是泵气损失。米勒循环一般是指通过降低气门升程和气门包角，将进气门关闭时间提前到进气下至点之前，从而降低发动机有效排量，达到降低泵气损失的目的。已经量产的米勒循环发动机包括两段式米勒循环和连续式米勒循环。如奥迪的AVS（Audi Valvelift System）系统即典型的具有两种气门升程曲线的两段式系统［1］。在部分负荷工况，使用小气门升程（同时也是小气门包角），使得进气门关闭时刻提前到进气下至点之前，实现米勒循环。而在大负荷工况，为了保证扭矩输出，使用传统的大气门升程（同时也是大气门包角）。连续式米勒循环如宝马的Valvetronic［2］，日产的VVEL （Variable Valve Event and Lift system）［3］，以及菲亚特装配的MultiAir系统［4］。这些连续式米勒循环系统的共同特点是气门升程可以连续可变，从而实现不同程度的米勒循环。以宝马的Valvetronic系统为例，其在部分负荷的平均节油潜力达到了10%［2］。

但需要指出的是，上述的米勒循环都会降低发动机缸内气流运动的强度（本文以滚流为例），这不仅会影响缸内油气混合，也会降低燃烧速度。而燃烧速度的降低对油耗改善是不利的。因此，为了充分发挥米勒循环的节油潜力，就需要想办法提高缸内滚流比，避免低的滚流比对油耗的不利影响。

在讨论如何提高缸内滚流之前，需要先定义汽油机缸内的两种滚流，即反向滚流和正向滚流。如图1所示的缸内气流运动速度场。从进气侧往排气侧，气流绕着垂直于气缸轴线方向逆时针运动，称为反向滚流。相反，气流绕垂直于气缸轴线的顺时针方向运动，则称为正向滚流。

图1 汽油机缸内气流运动的速度场分布图

增强缸内滚流，首先需要从进气道的设计入手，包括尺寸及方向，而本文主要讨论增强滚流的另一种方法，即位于进气道的进气门遮蔽罩。进气门遮蔽罩的作用简单的说就是：“堵”。具体来说，把进气门靠近排气的一侧适当“堵”一些（并非完全堵住），那么靠近进气侧缸壁的气流运动速度就会加强， 即反向滚流增强。反之，把靠近进气侧缸壁的一侧适当“堵”一些，那靠近排气一侧的气流速度就加强，即正向滚流增强。遮蔽罩的位置，可以在气门背面，也可以在进气道上，产品发动机常见的是位于进气道上。以下详述两种位于进气道上的进气门遮蔽罩。

2.利用进气门遮蔽罩增强滚流

2.1 利用进气门遮蔽罩增强反向滚流

图2是在Fiat 1.4L涡轮增压进气道喷射汽油机上通过MultiAir系统实现米勒循环的进气门升程曲线。为了解决米勒循环带来的缸内滚轮比下降的问题，图3为在缸盖上靠近排气一侧设计的进气门遮蔽罩。如图3 （a），在进气道靠近排气侧设计了一个红色所示的遮蔽罩，那么在小负荷使用米勒循环策略（小气门升程）时，气流会因为受到阻力而转向靠近缸壁的进气侧，那么这一侧的气流运动，即反向滚流就得到加强。为了进一步定量研究进气门遮蔽罩对滚流的影响，图4为实验测得的无进气门遮蔽罩和有进气门遮蔽罩情况下的滚流比。其中，将测出的各个升程下的滚流比除以气门最大升程时的滚流比，即得到图中纵轴所示的当量化的滚流比。该值为正即为正向滚流，为负则为负向滚流，且绝对值越大，表示滚流强度越大。从图中可以看出，在进气门升程小于4 mm时，进气门遮蔽罩明显增加了反向滚流的强度。而在大升程时，缸内气流运动以正向滚流为主，此时的遮蔽罩由于阻碍了靠近排气一侧的气流运动，从而减弱了正向滚流的强度。综上所述，进气门遮蔽罩有效地增加了小负荷下米勒循环（通过小升程实现）的滚流强度，有助于充分挖掘米勒循环的节油潜力。同时，对于大负荷（使用大升程）下进气门遮蔽罩减弱滚流强度的情况，则需要考虑其对最大扭矩的影响，特别是对于自然吸气发动机。

图2 利用连续可变进气门升程曲线实现不同程度的米勒循环［5］

图3 （a） 米勒循环时（小气门升程）利用进气门遮蔽罩增加反向滚流［5］ （b） 位于进气道的进气门遮蔽罩的三维设计图［5］ （c） 位于进气道的进气门遮蔽罩实物图［5］

图4 无进气门遮蔽罩和有进气门遮蔽罩条件下的滚流对比［5］

2.2 利用进气门遮蔽罩增强正向滚流

图5为MAHLE在一自然吸气单缸汽油机（配有进气道喷射和缸内直喷燃油系统）上匹配了可变进气门升程机构后的气门升程曲线［6］。和上述的MultiAir系统类似，也通过小进气门升程实现米勒循环。为了提高小气门升程时米勒循环的缸内气流运动，设计了如图6所示的环绕进气道180˚的进气门遮蔽罩［6］。和上述增强反向滚流的遮蔽罩位置相反，图6的遮蔽罩位于靠近进气侧缸壁的一侧。因此，加强的是正向滚流。如图7所示［6］，增加进气门遮蔽罩的高度可以明显增加滚流，但同时也导致流量系数下降，如图8所示［6］。流量系数的下降会牺牲最大扭矩，特别是对于自然吸气发动机。综合来看，2.2mm的遮蔽罩高度是兼顾了滚流和流量系数，是比较好的方案。

图5 利用连续可变进气门升程曲线实现不同程度的米勒循环［6］

图6 位于进气道的进气门遮蔽罩实物图（右侧进气道的斜线示意了遮蔽罩的区域） ［6］

图7 进气门遮蔽罩高度对滚流比的影响［6］

图8 进气门遮蔽罩高度对流量系数的影响［6］

3.总结

米勒循环由于其在改善汽油机部分负荷油耗方面的潜力而受到了越来越多的重视，但同时也会导致缸内气流运动强度的下降，这对油耗改善是不利的。因此，为了充分挖掘米勒循环的节油潜力，需要增加缸内的气流运动强度。位于进气道的进气门遮蔽罩即是一种有效提高缸内气流运动强度的方法。本文介绍了两种提高缸内反向滚流和正向滚流的遮蔽罩方法，并用实测数据证明了其有效性。同时需要指出的是，进气门遮蔽罩也会导致充气效率的下降，因此，需要在增强滚流和充气效率下降之间做优化，并仔细评估其对发动机最大扭矩的影响。