摘
试验结果表明，采用高滚流进气道后，促进了小负荷工况下的缸内气流运动，油气预混合充分，油耗降低明显。在转速为2000r/min 、平均有效压力为0.2MPa 工况，油耗降低了3.5%。由于燃烧放热更加集中，燃烧持续期由原机的32.6°CA 缩短到29.3°CA ，缩短幅度达到10.1%。同时，小负荷时高滚
流进气道发动机的燃烧稳定性得到改善，循环变动系数降低。但由于燃烧速度加快，后燃减弱，对未燃HC 的氧化能力降低，导致小负荷工况下HC 排放增加。采用高滚流进气道后，
混合气湍动能增加，火焰传播速度加快，放热速率升高，瞬时放热率峰值升高。在转速为2000r/min 、平均有效压力为0.2MPa 工况，瞬时放热率峰值达到24.4kJ/°CA ，较原机升高了4.7%。
关键词：滚流
米勒循环进气道
燃烧
中图分类号：TK411+.2文献标识码：A
文章编号：2095-8234（2020）06-0005-05
Effect of High Tumble on Combustion Characteristics of Miller Cycle Engine
Han Song,Lu Zhongxuan,Zhang Lin,Chen Xiong,Bai Fengyue,Zou Lin,Zhang Qing CATARC Automotive Test Center （Tianjin ）Company Limited (Tianjin,300300,China)
Abstract ：The effect of high tumble on fuel economy and combustion characteristics of a 2.0L Miller
cycle engine was studied.The test results show that the adoption of high tumble ratio intake port can promote the air flow movement in the cylinder under the condition of small load,the fuel-gas pre mixing is sufficient,the fuel consumption is improved obviously,and the fuel consumption is reduced by 3.5%at 2000rpm with an average effective pressure of 2bar.Moreover,the combustion heat release is more
concentrated,and the combustion duration is reduced from 32.6°CA to 29.3°CA,with a decrease of
10.1%.At the same time,the combustion stability of the engine is improved and the coefficient of cycle
variation is reduced.However,due to the increase of combustion rate,the decrease of afterburning and the
decrease of oxidation capacity of unburned HC,the emission of HC increases under the condition of small load.Using high tumble intake port,the turbulent kinetic energy of the mixture is increased,the flame propagation rate is accelerated,the heat release rate is faster,and the peak value of the instantaneous heat release rate is higher,reaching 24.4kJ/°CA at 2000rpm with an average effective pressure of 2bar,
which is 4.7%higher than that of the original engine.
Keywords ：Tumble;Miller cycle;Intake port;Combustion
高滚流对米勒循环发动机燃烧特性的影响
韩
松卢中轩
张
琳陈熊白凤月邹林张晴（中汽研汽车检测中心（天津）有限公司天津300300）小型内燃机与车辆技术
SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND VEHICLE TECHNIQUE
第49卷第6期2020年12月Vol.49No.6Dec.2020
作者简介：韩松（1985-），男，硕士，主要研究方向为发动机性能开发。
引言
不断严格的排放及燃油经济性法规推动内燃机
向更清洁、更高效的方向发展。
米勒循环是实现这一目标的技术之一。对于汽油机来说，
部分负荷的泵气损失偏大是影响其热效率的因素之一。米勒循环技
小型内燃机与车辆技术第49卷
术能有效降低部分负荷的泵气损失，提高汽油机中
低负荷的有效热效率。同时，
米勒循环技术可以利用进气门晚关来延迟压缩过程的始点，降低发动机实际压缩比，减小高负荷爆震倾向，
从而使米勒循环发动机可以在更高的几何压缩比下工作，提高理论热效率。高几何压缩比的米勒循环发动机在小负荷时燃烧稳定性较差，高滚流进气系统可以有效地组织缸内气流运动，增强油气混合程度，改善发动机燃烧稳定性[1]。
本文在一款2.0L 增压直喷汽油机上探究高滚
流进气系统对米勒循环发动机燃烧特性的影响，
为米勒循环发动机进气道设计提供了依据，也为严格的油耗法规下高效率发动机的设计开发提供了工程基础。
1
高滚流进气道方案及稳态试验
1.1
高滚流进气道方案设计
影响滚流比的进气道参数主要有气道出口倾斜
角α、β和圆弧曲率等。其中，气道出口倾斜角α和β对滚流比的影响最为显著。尤其是α的影响更大，α越小，气流流向排气门方向越多，滚流越强[2]。为获取强滚流，需要增大进气门与气门座圈上部的进气流
量及流速，同时减小进气门与缸壁间的进气量，从而形成较为强烈的正向滚流[3]
。在原机基础上，
通过减小α，设计了一款高滚流进气道，
如图1所示。气道出口上部相对燃烧室倾斜布置，引导气流从上部通过并沿燃烧室屋脊流向排气侧。气道出口下部向气道中心抬高，形成缩口，阻止进气流向下部。上下两股气流形成较大的能量差，从而增强进气滚流。1.2气道稳态试验
通过TJUS102型气道试验台对原机气道及所设计的高滚流进气道进行稳态试验。该稳态气道试验台的风机变频器可使小气门升程（≤3mm ）时进出口达到至少7kPa 的压差，大气门升程（>3mm ）时进出
口达到至少4kPa 的压差。
图2和图3分别为试验所测量出的不同气门升程下原机进气道和高滚流进气
道流量系数和滚流比对比。
从图2和图3所示的试验结果可以明显看出，
随着气门升程的变化，2种气道的流量系数和滚流比
呈现出相似的变化趋势。2种气道的流量系数均是先
快速增加后趋于平缓。
在气门升程小于4mm 时，2种气道的滚流比相差甚小；在气门升程大于4mm
以后，2种气道的滚流比出现明显差异。试验结果表
明，相对于原机进气道，高滚流进气道加权平均滚流比提高12.6%，而加权平均流量系数降低5.2%。由此可知，相对于原机进气道，所设计的进气道滚流比明
b ）高滚流进气道
图1进气道模型
a ）原机进气道
α=27°
β=47°
发动机压缩比β=47°
α=32°
图2
流量系数对
比
0.60.50.40.30.20.10气门升程/mm
图3滚流比对比
0.70.60.50.40.3
0.20.10气门升程/mm
6
第6期
显提高，适用于研究滚流比对米勒循环发动机性能的影响。
2仪器设备及工况选取
2.1仪器设备
试验用相关仪器设备见表1。
2.2工况选取
本文的研究对象是一台四气门缸内直喷涡轮增压汽油机，其主要参数如表2所示。在该发动机上，通过匹配大包角进气凸轮轴，结合可变气门正时机构，实现进气门晚关的米勒循环，进气凸轮轴包角为
215°CA。凸轮轴包角定义为从气门开启1mm至关闭1mm所对应的曲轴转角。
发动机转速取为2000r/min，在该转速下分别取平均有效压力为0.2、0.5、0.8、1.1、1.4MPa。2台不同进气道发动机在相同工况下采取相同的喷油轨压、喷油时刻，并在各工况下都保证当量比燃烧。连续记录100个循环气缸压力数据，进行燃烧放热计算。
3试验结果分析
3.1油耗和泵气损失对比
图4为2000r/min转速、不同平均有效压力下的燃油消耗率。
从图4可以看出，采用高滚流进气道后，在小负荷时油耗显著下降。平均有效压力为0.2MPa和0.5MPa时，油耗分别从388.4g/（kW·h）和289.8 g/（kW·h）降低到374.8g/（kW·h）和283.7g/（kW·h），降幅分别为3.5%和2.1%。在中高负荷时，2种气道的油耗基本相同。这主要是由于在小负荷时米勒循环发动机的缸内气流运动较弱，采用高滚流进气道后，显著改善了缸内气流运动、增加了燃油雾化速度[4]，有助于在点火时刻缸内形成浓度均匀的混合气，改善了缸内燃烧情况。
图5为2000r/min转速、不同平均有效压力下的泵气损失。由于高滚流进气道的流量系数相对较小，在中高负荷时泵气损失有所增加。但是中高负荷泵气损失总体较小，对油耗影响较小。
3.2燃烧持续期及循环变动系数对比
图6和图7分别为2000r/min转速、不同平均有效压力下2种气道发动机燃烧持续期及循环变动系数对比。
从图6和图7可以看出，改善效果同样在小负荷时较为显著。定义燃烧持续期为已燃质量分数10%~90%经过的曲轴转角。未发生爆震时控制累积燃烧放热为50%的曲轴转角（CA50）在8°CA ATDC 附近，以确保具有较高的燃烧等容度。采用高滚流进
表1仪器设备表
名称型号厂家测功机INDY-S22AVL
油耗仪735S/753C AVL 燃烧分析仪2893A121KISTLER 空燃比仪LA4Lambda Meter ETAS 排放分析系统MEXA-7100D HORIBA 气缸压力传感器6117BFD16KISTLER
表2发动机参数
项目参数
排量/L 2.0
气缸数4
缸径/mm82.5
行程/mm92.8
压缩比11.5：1
喷油器6孔喷嘴
活塞形状凹坑型最大气门升程/mm10.7
图4油耗对比
400
360
320
280
240
200
平均有效压力/MPa
图5泵气损失对比0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
平均有效压力/MPa
韩松等：高滚流对米勒循环发动机燃烧特性的影响7
气道时，小负荷工况下，气流运动明显增强，预混合更加充分，促进了燃烧集中放热[5]。在平均有效压力
为0.2MPa 工况，高滚流进气道发动机燃烧持续期由原机的32.6°CA 缩短到29.3°CA ，缩短幅度达到10.1%。在中高负荷时，缸内气流运动本就强烈，混合
气混合较为充分，燃烧持续期缩短幅度很小。同样受益于缸内气流运动增强，点火时刻缸内湍动能增加，火花塞处混合气预混合充分[6]，小负荷时高滚流进气
道发动机燃烧稳定性得到改善，循环变动系数降低。3.3
HC 排放对比
图8为2000r/min 转速、不同平均有效压力下
的HC 排放情况。
采用高滚流进气道后，缸内燃烧速度加快，
后燃减弱，对未燃HC 的氧化能力降低，
导致小负荷工况下HC 排放增加，
尤其是0.2MPa 时HC 排放增加尤为明显，
增加了21.4%。3.42000r/min 、0.2MPa 工况放热率及气缸压力
对比
图9及图10分别为2000r/min 、0.2MPa 工况
放热率及气缸压力对比情况。
从图9和图10可以看出，采用高滚流进气道后，放热速率更高，放热率峰值对应的曲轴转角比原机减小3°CA ，并且以更低的油耗达到了更高的瞬时放热率峰值，瞬时放热率峰值达到24.4KJ/°CA ，比原机升高了4.7%。同时，缸内达到的最高爆发压力也更高。
4结论
1）采用高滚流进气道后，促进了小负荷工况下的缸内气流运动，油气预混合充分，油耗降低明显，平均有效压力分别为0.2MPa 和0.5MPa 时，油耗分别降低了3.5%和2.1%。在中高负荷时，2种气道的油耗基本相同。
图6燃烧持续期对比
40353025201510
平均有效压力/MPa
图7循环变动系数对比
43210
平均有效压力/MPa
图8HC 排放对比
6543210
平均有效压力/MPa
图9
放热率对比
302520151050
曲轴转角/°CA
图10气缸压力对比
2.52.01.51.00.50
曲轴转角/°CA
（下转第34页）
2）采用高滚流进气道后，燃烧放热更加集中。在平均有效压力为0.2MPa工况，高滚流进气道发动机燃烧持续期由原机的32.6°CA缩短到29.3°CA，缩短幅度达到10.1%。同时，小负荷时高滚流进气道发动机燃烧稳定性得到改善，循环变动系数降低。但由于燃烧速度加快，后燃减弱，对未燃HC的氧化能
力降低，导致小负荷工况下的HC排放增加。3）采用高滚流进气道后，缸内气流运动加剧，混合气湍动能增加，火焰传播速度加快，放热速率升高，同时瞬时放热率峰值升高，达到24.4KJ/°CA，比原机升高了4.7%。
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（收稿日期：2020-04-10）
市区行驶工况下，排气温度相对较低，SCR催化转化效率较低，NO x排放较高；高载荷高速行驶工况下，排气温度达到DPF被动再生高效温度，DPF过滤效率下降，导致PN排放相对其他行驶工况数倍增加。
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（收稿日期：2020-01-16）
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