图6 滚流和涡流示意图
最早发现滚流和涡流都能够提高提高压缩终了时燃烧室内空气运动的湍流强度,可以促使火焰传播速率加快,燃烧持续期缩短,放热率提高,从而改善了燃烧过程,提高发动机的动力性。通过研究发现,滚流模式优于涡流,因为滚流的形成依靠缸壁和活塞运动,进气过程中可以保存有较大的动能,压缩过程中一部分动能使大尺度的空气运动破碎成众多小尺度的微涡,提高了缸内的湍流强度。而涡流一般经历着不断衰减的过程。另外,滚流采用直的切向气道,结构简单,阻力小,有别于涡流方式的螺旋气道,它常以气道阻力为代价来提高涡流比,因此滚流对充气效率影响较小,可以使气道获得较大的流量系数。所以目前如何提高滚流也是各主机厂的研究方向。
为了增强滚流,这款发动机修改了进气道形状,气缸盖形状(图7)、同时优化了活塞顶部的形状,采用滚流型轻量化活塞(图8),以降低其对滚流气流的干扰。采用这些措施后,使滚流强度指数(滚流比)从0.8提高到了2.8(图8),因而使10%~90%的燃烧持续期(即从10%~90%燃烧所需的曲轴转角),在转速2000rpm、平均有效压力0.4MPa工况下缩短了35%。结合本文以下介绍的技术,使EGR率从15%提高到了25%(EGR提高到25%属于行业领先)。
图7 气缸盖形状设计
图8 活塞顶面形状设计
图9 滚流气流对比图
2.1.3气门正时
新款发动机与前款发动机一样,同样采用推迟气门关闭正时的阿特金森循环。采用新设计的凸轮轴,缩小了进气门的工作角度和气门升程,扩大了排气门的工作角度。通过这种优化,改善了进气门的响应速度,使得进气效率得到提高,尤其是EGR气体的引入变得容易。此外,排气门的工作角度得到提高,排气泵气损失得以降低,一方面缓解了爆震,另一方面提高扫气效果(图10)。
注:此为阿特金森循环特点,人为控制低进气量,提高膨胀比,虽然会提高燃烧效率,但是进气量较低,功率扭矩不足。与正常奥托循环气门时刻有所区别。