（动力机械及工程专业论文）四气门汽油机气道滚流比测试方法的试验研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 天津大学天津大学 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津大学天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权 天津大学天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 i 中文摘要 在内燃机中，缸内空气运动会直接影响发动机缸内的燃烧状况，从而影响发 动机的经济性、动力性以及排放特性。而决定这些因素的关键是内燃机中气道的 性能。 通过气道稳流试验测量获得内燃机进气道的滚流比、 涡流比、 流量系数等， 从而对气道性能进行评价，是目前国内外内燃机开发广泛采用且行之有效的方 法。目前，气道稳流试验评价方法有 ricardo、fev、avl 以及 swri 等多种， 但尚未存在一个公允的标准，在对滚流的测试及评价方面体现的尤为明显。 比较不同滚流测试评价方法， 直接测量方法的滚流强度测量结果会在某个气 门升程时产生跃升，且测量结果偏大，较其他测量方法有很大差异。鉴于此，本 课题对汽油机缸内滚流直接测量方法的测试装置进行了可视化处理， 以自主开发 的气道稳流试验台为基础， 利用 piv 技术研究稳态滚流的测试过程中流场的微观 结构及其变化规律，阐明了模拟缸套结构参数对气道滚流比测量结果的影响规 律，深入理解不同测试方法的特性，从而更有利于指导气道性能的评价和开发。 试验研究表明， 不同结构参数的模拟缸套内流场结构在气门升程达到一定范 围时都会发生变化，形成大尺度逆时针滚流，并且会导致缸内各测量截面滚流比 曲线斜率增大。同时，缸套的出气口面积严重影响着缸内流场滚流比的数值及其 变化规律。并且缸内不同区域的流场受缸套出气口面积影响的程度不同。当出气 口面积较小时，缸套内形成挤流，促进流场滚流比快速增强；而大的出气口面积 会抑制模拟缸套内滚流的发展。其中出气口附近截面内滚流比受其影响最大，对 于出气流通面积为 1/4 缸套底面积的模拟缸套 a 而言， 出口附近截面内滚流比出 现非常高增幅的跃升，跃升后滚流比的增幅达到 2.77。气道稳流试验模拟缸套内 滚流比的变化规律从根本上受角动量守恒支配， 缸套形状与滚流比产生增幅过高 的跃升现象存在本质的联系。 关键词：关键词：汽油机；气道稳流试验；滚流比; piv 测量 目录 abstract in the internal combustion(ic) engine, the air flow determined by the intake ports in the cylinder directly affects the combustion characteristics, thereby affecting the engine power, economy and emissions. it is an efficient and widely used method to develop ic engine that evaluating the ports by the flow parameters such as tumble ratio, swirl ratio,flow coefficient and acquired by the steady flow test rig. nowadays, there are several evaluation method of steady flow including ricardo, fev, avl and swri methods, but not a full and fair standard, especially for the tumble test and evaluation. compared with other measurement methods, there is an abrupt rise for tumble strength measurements with direct test method at a certain valve lift condition and the measurements are relatively larger. in view of the above, an investigation into characteristics of in-cylinder tumble flow in a four-valve gasoline engine is presented. the experimental works were carried out on an in-house steady flow test rig by combining necessary optical accesses and visualization devices for directly exploring in-cylinder air motion. piv was employed for evaluating effects of various geometry parameters on flow field and microstructures, in order to acquire the uniform tumble test method conductive to guide the development and performance evaluation of ports. the results show that large-scale counterclockwise tumble flows can be formed and the slope ratio of tumble ratio curve has apparent increase, when the valve have adequate opening. the in-cylinder flow field is very sensitive to the in-cylinder geometry in different in-cylinder position, the small blow hole, which leads to squish flow motion,will accelerate the tumble flow;on the other side,the large blow hole will restrain the tumble flow.the most affected area is the one near the blow hole where the tumble ratio can increase up to 2.77with cylinder a, of which the blow hole area is 1/4 of the buttom area of the cylinder. from the results, it also suggests that the evolution of in-cylinder tumble flow is basically dominated by the conservation of angular momentum, while the change of in-cylinder geometry can always result in some difference on tumble ratio. keyword: tumble flow; steady flow test; in-cylinder flow; piv 目录 i 目录 目录目录 第一章 绪论 . 1 1.1 引言. 1 1.2 内燃机滚流运动的研究方法. 2 1.2.1 微观研究方法. 2 1.2.2 宏观研究方法-稳态流动试验 . 4 1.2.2.1 直接测量方法. 4 1.2.2.2 间接测量方法. 7 1.2.2.3 直接测量方法与间接测量方法对比分析. 9 1.3 本课题研究内容及研究意义. 12 第二章 试验系统的建立 . 14 2.1 稳流试验台. 15 2.2 粒子图像测速系统. 15 2.2.1 粒子图像测速技术原理. 15 2.2.2 粒子图像测速系统的组成. 16 2.3 试验方案. 17 2.3.1 气道压差及气门升程的选取. 17 2.2.3 流量的测量及控制. 18 2.2.4 模拟缸套的设计. 20 2.3.3 测量平面的选取. 21 2.4 误差分析. 23 2.5 滚流比计算方法. 23 第三章 滚流直接测量方法缸内气流运动特性的研究 . 24 3.1 直接测量方法缸内流场结构分析. 24 3.1.1 模拟缸套各测量平面内流场结构及其变化规律. 24 3.1.2 不同出口直径的模拟缸套内流场结构及变化规律. 30 3.1.3 小结. 41 3.2 模拟缸套内流场滚流比变化规律. 42 3.2.1 同一模拟缸套的不同测量平面内的流场滚流比对比分析. 42 3.2.2 不同模拟缸套在同一测量面内的流场滚流比对比分析. 44 目录 ii 3.2.3 小结. 47 3.3 不同气道压差下缸内流场结构及其变化规律. 48 3.3.1 不同气道压差下缸内流场结构分析. 48 3.3.2 不同气道压差下缸内流场滚流比分析. 49 3.3.3 测量装置对模拟缸套内压力的影响. 51 3.3.3 小结. 53 第四章 结论与展望 . 54 4.1 结论. 54 4.2 展望. 55 参考文献：. 56 发表论文和参加科研情况说明. 62 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言引言 2011 年中国石油全年的需求量为 4.83 亿吨，增长 6.2%；全年石油消费量达 到 4.55 亿吨，较上年增长 11.4% ；2010 年中国进口原油 2.39 亿吨，同比增长 17.5%1。根据 2010 年上半年统计，汽车的产销量分别为 915.6 万辆和 923.5 万 辆，同比增长分别为 2.5%和 3.4%2。预计我国 2012 年全年汽车销售量将突破 1260 万辆3。我国总的石油消耗量中，有 66%以上被内燃机这一主要动力装置 所消耗4,并且城市有超过 50%的有害气体来源于机动车所排出的废气5， 因此节 能减排以及发展低碳经济已成为全球社会的共识， 在持续增长的能源需求以及严 格的排放法规的要求下， 发展高效清洁燃烧内燃机技术对我国实行可持续发展技 术路线意义重大。 由于柴油机存在较高的颗粒物和烟度排放，价格也比汽油机高，因此，长期 以来汽油机一直是汽车，特别是轻型车和轿车的主要动力源。目前，国际上轻型 汽油车的 co2排放水平比柴油车高出近 30%6，因此，改善汽油机的燃油经济性 就成为发展当前汽油机的一个重要课题。 缸内气流运动作为内燃机组织燃烧的基础， 对发动机的燃烧特性及排放特性 具有重要影响7,8。研究表明，组织良好的缸内空气运动对提高汽油机的火焰传 播速率，降低燃烧循环变动，适应稀燃或层燃有重要作用9,10。 miles 等人11认为流场对燃烧的影响主要通过以下两种方式：(1). 通过点火 时刻产生的高频湍流强度促进火焰传播速度; (2). 通过产生大尺度的流场改善燃 烧。trigui 等人12在试验中发现，火花点火发动机稀燃的稳定性与进气冲程时产 生的大尺度流场结构之间存在着一定关系，同时， 认为进气时产生的湍动能能够 存储在斜轴涡流中，并且在点火时刻将其以湍流的形式释放出来。witze 等人13 在试验中发现增强滚流比可以缩短燃烧持续期，加快燃烧速率，而与火花塞的安 装位置没有明显关系。kim 等人14通过稳流试验台，2dpiv，3dptv 等测量方 法研究了部分负荷下滚流比对发动机性能的影响， 也发现高的滚流比与高的燃烧 速率相对应。 对 gdi 发动机而言，由于燃油雾化混合时间缩短，对缸内气流运动组织提 出了更高的要求。在点火时刻，大尺度滚流场将燃油喷雾运输到火花塞附近，因 第一章 绪论 2 此大尺度滚流场对初期的燃油空气混合过程作用明显15,16。 缸内的大尺度滚流、 涡流以及斜轴涡流能够改善湍流强度同时还可以控制燃 油空气混合物的分层。grimaldi 等人17通过 vva 控制策略得到缸内不同强度的 滚流流场和涡流流场。hadded 和 denbratt 等人18在四气门屋顶式燃烧室汽油机 上，利用 ldv 技术对流场进行测量。试验发现，湍流强度、滚流强度以及发动 机性能这三者之间有一定的关系。 滚流比的增加可以增加强流强度并且促使点火 时刻较小积分尺度的流场产生。wilson 等人19在试验中发现了气门升程与充量、 涡流比、滚流比之间的关系。li 等人20通过试验发现燃油分层和后续燃烧过程 受滚流分层特性的影响显著。同时， 优化后的滚流结构可以一直维持到压缩冲程 末期，并且促使湍流强度强显著增加。arcoumanis 等人21发现在点火时刻，大 尺度滚流可以导致较强的湍流强度， 并且认为在压缩冲程末期破碎的强滚流能够 产生较高的湍动能。 综上所述，缸内气流运动会直接影响发动机的燃烧状况，而滚流作为缸内气 流运动的主要形式之一，其促进燃烧过程和控制分层燃烧，改善汽油机性能的作 用已被广泛证实。 因此缸内滚流运动的研究工作在发动机的研究与发展过程中起 着重要的作用。 1.2 内燃机滚流内燃机滚流运动的研究方法运动的研究方法 目前对内燃机滚流运动的研究方法主要分为微观研究方法和宏观研究方法 两种。其中微观研究方法主要有热线风速仪、激光多普勒测速技术（ldv, laser doppler velocimetry） 、粒子成像测速技术（piv, particle image velocimetry,）以及 粒子示综测速技术（ptv，particle track velocimetry,）等;而宏观研究方法主要以 气道稳流实验评价方法为主 1.2.1 微观研究方法微观研究方法 缸内滚流运动的微观研究方法可以检测、 试验气缸内的滚流场结构及其变化 规律，因此其以测量精度高，获取信息量大等优势备受关注并广泛应用。目前被 广泛应用的微观研究方法主要有热线风速仪、ldv、piv 等方法。 热线风速仪22最先被用于研究进气道内的气流速度以及在倒拖工况下缸内 的气流运动。ldv 技术以其较高的时间分辨率以及较好的方向性等优势被广泛 应用。 park 等人23利用 ldv 技术对火花塞附近的流场进行了测量。 angelo algieri 等人24利用 ldv 技术研究了进气道角度对流场的影响及缸内流场动态特性。由 第一章 绪论 3 于热线风速仪和 ldv 两种方法均采用单点测量， 无法反映整个空间的流场分布， 因此限制了这两种技术的发展。 piv 测量技术能够实现对二维瞬时速度矢量场的测量，属二维平面测量法。 因此，piv 技术以其测量可获得信息量大的优势，在 80 年代作为一种新型的流 场测量技术应用于缸内瞬态流场测量。 li 等人20利用 piv 技术对三气门发动机的缸内流场进行了测量研究，并且 通过优化进气系统从而获得了能够实现分层燃烧的混合气。fischer 等人25利用 piv 技术研究了直喷汽油机在滚流控制系统（variable tumble system）下的循环 变动。 jarvis 等人26利用 trdpiv （time resolved digital particle image velocimetry） 技术，在四冲程多气门直喷火花发动机上对缸内的气流循环变动进行了微观研 究。alger 等人27利用 piv 技术研究了滚流和涡流对燃烧的影响。bevan 等人28 同样利用 piv 技术研究了滚流和涡流与燃烧期之间的关系。b. murali krishna 等 人29利用 piv 技术对不同活塞形状的缸内滚流场分别进行了测量，并且研究了 活塞形状对缸内滚流场的影响。phil stansfield 等人30利用 piv 技术分别对不同 转速下缸内的流场结构进行了测量。b murali krishna 等人31利用 piv 技术研究 了发动机转速与缸内速度矢量分布的关系。jaguar cars ltd 等人32利用 piv 技术 研究了 hcci 燃烧模式下的光学发动机的缸内流场特性。 r. f. huang 等人33利用 piv 技术分别研究了采用不同形状进气道时缸内的流场特性。b murali krishna 等人34通过改变缸盖结构，将进气道旋转 90 ，采用 piv 技术测量了缸内流场的 滚流比及湍流强度，研究进气道角度改变前后缸内流场受到的影响。victor salazar 等人35采用 piv 技术，分别测量了喷油与不喷油两种情况下缸内流场的 流场结构及滚流比，研究了喷油与气流运动相互作用的关系。karen e. bevan 等 人36采用 piv 技术研究了进气道结构对燃烧过程的影响。国内也有不少研究者 将 piv 应用到缸内流场测量，杨延相，王天友等人37-39首次将 piv 技术应用到 发动机流场的测试。王健等人40采用 piv 对汽油机滚流场进行了研究。 piv 技术作为一种对发动机缸内流场进行精确微观测量的有效工具， 对流场 的单一平面进行测量成为阻碍其发展的障碍。 为了获得更多流场中三维空间的信 息， 并且将试验与仿真技术更有效地结合， 3dptv （three dimension particle image velocimetry） 技术应运而生。 trigui 等人12,41利用 3dptv 获得整个缸内流场数据， 并发现流场参数与燃烧持续期之间关系性较好。kim 等人14利用 ldv、2dpiv 以及 3dptv 技术测量缸内流场，并建立了三种测量方法之间的关系。choi 等人 42利用 2dpiv，3dptv 这两种技术对进气冲程过程中缸内的气流运动分别进行 了测量。结果显示，二者兼用可以获得准确的流场以及更多的流场细节信息。 随着相机和激光器技术的不断发展，piv 技术也在不断更新发展。高速 piv 第一章 绪论 4 技术作为当今高端 piv 技术的代表，与传统 piv 技术相比较，它具有高分辨率， 高瞬时响应等优点，可以完成在高转速工况下对流场的检测，因此目前已经得到 了广泛的应用。claudia fajardo 等人43采用高速 piv 技术，研究缸内流场的瞬时 速度、平均速度以及湍动能的变化规律。试验可以实现在发动机 2000 r/min 转速 下每曲轴转角对缸内流场进行检测一次。 bastien boust 等人44利用高速 piv 技术 研究了缸内流场对气缸壁面的热损失的影响。 claudia fajardo等人45采用uv-piv （ultraviolet particle image velocimetry） 技术研究了分层燃烧 sidi 汽油机火花塞 与喷油器之间区域内的流场结构及其变化规律。试验实现了在 600rpm 转速下， 每曲轴转角对区域内流场测量四次。alharbi, ali 等人46采用高速高分辨率 piv 技术，对气缸壁面附近层流区域内的流场进行微观研究。 由此可见，在内燃机缸内滚流运动的研究工作中，piv 技术扮演着重要的角 色。其凭借测量精度高、测量空间的连续性以及测量信息量大等优势，不仅得到 了广泛应用，还进行不断的升级优化，衍伸出多种更高端的 piv 技术以符合不 断提高的测量要求。 1.2.2 宏观研究方法宏观研究方法-稳态流动试验稳态流动试验 尽管上述微观研究方法可以更细致的研究缸内气流运动，但其耗时长、稳定 性差、 操作繁琐等特点限制了其在工程上的应用。稳态流动试验法作为主要的宏 观研究方法， 克服了微观研究方法的以上缺陷。 用其检测、 试验发动机气缸盖进、 排气道的流动特性参数是国内外广泛采用并行之有效的研究缸内气流运动的方 法47-49。 对滚流的稳态流动研究中开发出了多种用于测量滚流的稳流试验方法。 其中 包括测量滚流强度的扭矩仪法、叶片风速仪法以及叶轮球法，同时提出了将评价 进气道涡流时所采用的计算方法移植到计算滚流比上， 由此来评价气道形成滚流 的能力。对于滚流的测试方法而言，不同评价方法之间差别较大。尽管如此，其 设计的原则多是尽量保证缸内的滚流能够得到维持，不致损失过于严重。根据这 一原则，滚流测量方式大致可分为两种即直接测量方式和间接测量方式50-55。 目前国外主要有四种评价方法。即 fev 评价方法、avl 评价方法、ricardo 评价方法以及 swri 评价方法56,57。其中 fev 评价方法和 avl 评价方法属于直 接测量方法，而 ricardo 评价方法和 swri 评价方法属于间接测量方法。 1.2.2.1 直接测量方法直接测量方法 直接测量方法的主要特点是在模拟缸套内对缸内滚流进行直接测量， 主要包 第一章 绪论 5 括德国 fev 评价方法和奥地利 avl 评价方法。 fev 评价方法58作为直接测量方法的代表，其只采用叶片来进行滚流的测 量，图 1-1 为其装置图58。该测量装置能够允许缸盖水平放置。其叶片形状设计 为环形叶片。内径为 0.585 倍缸套内径，外径为 0.87 倍缸套内径。模拟缸套两侧 各有一个出气孔，孔径为 0.35 倍缸套内径，即出气面积与气缸面积的比值为 2 2 0.350.245 。 图图 1-1 fev 滚流测量方式滚流测量方式 fev 公司通常利用叶片风速仪来测量滚流。 fev 方法将进气过程假定为可压缩且绝热的过程，其分别用 u c c 和 k 来 评价进气道滚流强度和通过气流的能力： u c c （1-1） 是模拟缸套内叶片转动的切向速度比上轴向速度。 2 usfl cn r （1-2） 其中 s n代表叶片转速 r/s, 0.73 2 fl d r为叶片转动中心的半径。 k q c a （1-3） 当转换成动量计测量时， 2.92 m u c b （1-4） s k k a a （1-5） 第一章 绪论 6 其中 s a为气流流经进气道的有效面积， 0 s q a v ，q 为实测的流量，v0为速 度头。 k a为气缸横截面积， 2 4 k d a 可以看出， k 是进气道的有效流通面积比上气缸面积的比值。 fev 用90%最大气门升程时所测量的 u c c 和 k 分别代表气道的平均涡流 比和平均流量系数。 avl 公司目前所采用的试验方案以球形蜂窝体最为常用59。该试验方案将 球壳状蜂窝体布置在气缸下部测量滚流58，如图 1-2 中所示。avl 试验能够同 时测量滚流和涡流，并且缸盖在该测量装置上允许水平放置，使得测量时方便布 置以及换缸。 图图 1-2 avl 滚流测量方式滚流测量方式 avl 的评价方法一般都是基于以下的假设： 1. 发动机以及稳流试验台中运行的气体都是不可压缩并且绝热的气 体。 2. 发动机气缸内的滚流为强迫滚流，即刚体滚流。 3. 在稳流试验台气缸中的轴向速度处处都是平均值。 4. 表面摩擦不损失角动量，即角动量都被保留了下来。 5. 容积效率为 100。 第一章 绪论 7 6. 活塞运动所造成气缸体积的变化率等于气流进入气缸的速度。 7. 只有在进气冲程的上止点与下止点之间的这段时间内存在气流流入 缸内。 avl 的评价方法的测量参数中主要包括每个气门升程下的流量系数和滚流 比以及平均流量系数和平均滚流比等。 1.2.2.2 间接测量方法间接测量方法 间接测量方法通常将缸内滚流通过转换装置， 将滚流转化为涡流后再进行测 量，主要包括英国 ricardo 评价方法和美国 swri 评价方法。 作为间接测量方法的代表，如图 1-358，其装置在两端出气。这种测量方式 同涡流测量方式基本相同，只是旋转方向不同60。该测试装置测得的角动量为 进气气流角动量的一半。其滚流模拟缸套长度为 1 米，能够满足 4 缸汽油机的顺 序测量。该装置还可以采用叶片进行测量。 图图 1-3 ricardo 滚流测量方式滚流测量方式 ricardo 评价方法在评价气道特性时作出如下假设： 1. 发动机以及稳流试验台中运行的气体都是不可压缩并且绝热的气体。 2. 气道在在稳流试验台中的稳态工况和发动机中的瞬态工况下，具有同样 的流通特性参数（如 nr、cf） 。 3. 模拟缸套内涡流为强迫涡流，即刚体涡流。 4. 角动量都被保留下来，表面摩擦不会影响涡流。 5. 容积效率是 100。 第一章 绪论 8 6. 进气时，经过气道的压降 p 保持不变。 7. 只在进气门开启到关闭的区间内，气流才会流入气缸，因此流动速度取 决于气门升程。 该评价方法对流量系数 f c的定义是流过气门阀座的实际空气流率比上理论 空气流率。 0 f q c nav （1-6） 其中 q 为实测的流量，由于气体假设为不可压缩且绝热，理论流率为 0 nav （1-7） 其中，n 为进气阀的个数，a 为进气阀座面积（计算时通过气门阀座的最小 密封直径来计算） ， 0 v为速度头， 0 2 p v （1-8） 同时，由于只有在气门开启到关闭这段时间内才进气， 因此其平均流量系数 为 2 1 21 1 fmf cc d （1-9） 其中 1 ， 2 为气门开启及关闭时的曲轴转角。 该评价方法定义的滚流强度 r t是模拟气缸中气流的旋转角速度比上内燃机 的曲轴转速。因为假设气流运动为刚体滚流，所以气流的角速度近似等于叶片的 转速。滚流强度为 p r t （1-10） 其中 p 为叶片转速；为发动机的转速。 因为进气过程中，其假定在气道压降 p 保持不变，故用 0/ vd（d 为气缸 直径）代替发动机的转速，涡流强度变为 0 p r d t v （1-11） 若用动量计对其测量，则涡流强度变为 0 8 r t mdv （1-12） 第一章 绪论 9 中m 为质量流率，为动量计扭矩。 而平均涡流比为 2 1 2 1 2 fr sd f c n d rl c d （1-13） 其中 2 d d s l nd 为形状因子，d 为进气阀座直径，s 为活塞冲程，d 为气缸直 径。 美国 swri 评价方法61和英国 ricardo 评价方法基本相同，唯一区别是计算 平均涡流比（或平均滚流比）和流量系数时，积分区间改为了从上止点到进气门 关闭。 美国 swri 评价方法滚流测试装置如图 1-4 所示58，可以看出模拟缸套尺寸 加大至 1.75 倍缸套内径， 同时模拟缸套长度缩短至 1.5 倍缸套内径以减小流动损 失。由于该装置长度仅为 1.5 倍缸套内径，因此四缸汽油机无法在该装置上顺序 检测。该装置测得的角动量为气流角动量的 100%。 图图 1-4 swri 滚流测量方法滚流测量方法 1.2.2.3 直接测量方法与间接测量方法对比分析直接测量方法与间接测量方法对比分析 对比直接测量方法和间接测量方法， 可以发现以上四种评价方法对流量系数 及滚流强度等气道特性参数的定义基本一样， 都将滚流比定义为叶片的转速与发 第一章 绪论 10 动机的转速的比值。但是各家对发动机转速的定义是不一样的。对平均滚流比和 平均流量系数的定义的差异则在于各家的积分区间不一样。具体来讲， ricardo 在假设的条件中认为：进气期间，经过气道的压降 p 保持不变。进 气只发生在进气门开启到关闭这段区间内。 avl 则假设：因活塞运动所造成的气缸体积变化率等于气流进入气缸的速 度。进气只发生在进气上止点与进气下止点这段区间内。 气缸内的压力在进气过程中实际上是在变化的，因此经过气道的压降 p 也 是不断化的。如下图 1-5，其变化规律同活塞运动所造成的气缸的容积变化率较 为相似。 就进气过程中气缸内压力变化与否这一方面而言，avl 评价方法的假设更 贴合实际。如图 1-6，曲线 1 为实际的进气过程中气缸内压力变化曲线。曲线 2 为 avl 评价方法通过计算得出的进气过程中缸内的压力变化曲线，两者基本重 合。这一结果反映在 avl 预测公式中的 2 ( ) () m c c ，它表示的参数与气缸容积的变 化率有关，而气缸容积变化率正是由于活塞运动所造成。 而积分的效果就体现在 对不同升程下的涡流比数值进行加权平均。 图图 1-5 实际进气过程实际进气过程 p-v 图（低压）图（低压） 第一章 绪论 11 图图 1-6 缸内压力变化曲线缸内压力变化曲线 由于各评价方法所采用的试验装置以及提出的假设条件不同， 其得到不同的 预测结果是必然的。试验分别利用 ricardo 方式、swri 方式以及 fev 方式对同 一缸盖的气道特性进行评价，对比直接测量方法与间接测量方法的测量结果。对 比结果如图 1-7 所示。 5.806.968.129.2810.44 0 1 2 3 4 5 6 滚流比 气门升程 / mm ricardo swir fev 图图 1-7 不同测量方法滚流强度试验结果对比不同测量方法滚流强度试验结果对比 从图中可以看出，fev 的直接测量测量结果的滚流强度随气门升程的变化 规律要明显有别于间接测量方法： （1）滚流比随气门升程变化比较特殊，当气门升程低于 8.12mm 时，滚流 很弱，大于 8.12mm 时滚流强度会发生增幅非常高的跃升，而在间接测量方法的 结果中却难以发现这一现象。 （2）滚流比过大，不正常：在高气门升程时，例如图中 9.86mm 时，滚流 比约等于 5.5。须知其它方法测得的柴油机螺旋气道涡流比能达到的最高水平只 有 2.5 左右。所以也难以与间接测量方法对比。 第一章 绪论 12 grimaldi17和 ramajo62在研究缸内滚流运动时也发现了滚流比跃升现象。 相比于间接测量方法， 直接测量方法可以捕捉到进气过程中滚流比发生跃升这一 现象63。在这点上，直接测量方法优于间接测量方法。 但是直接测量方法的弊端在于其滚流比测量结果偏高。 直接测量方法所测的 滚流比63明显高于 lda 方法64和 piv65方法所测滚流比。 目前，很多学者认为其测试方法存在不合理之处，并且指出问题的根源主要 在于出气面积太小，但尚无定论。 1.3 本课题研究内容及研究意义本课题研究内容及研究意义 不同评价方法由于采用的试验装置以及假设条件不同， 其测量结果在数值上 必然会存在一定差异。但是，各评价方法的测量结果在其变化规律上存在差异， 对缸内滚流运动研究、气道性能评价等科研工作非常不利。目前对于气道稳态流 动试验及评价迄今为止国内外仍然没有一个统一的标准66,67。 直接测量方法与间 接测量方法在测量结果上存在的明显差异， 成为了建立统一的气道稳态流动试验 及评价标准的障碍。因此，探究不同评价方法之间产生差异的根本原因，深入了 解其影响因素，则可以更全面地了解气道的性能，便于横向对比，有助于建立气 道评价的统一标准。 为了探究直接测量方法的测量结果与间接测量方法存在差异的原因， 本课题 针对直接测量方法的测试装置进行了可视化处理， 制作了不同结构参数的透明滚 流模拟缸套，在自主开发的气道稳流试验台上通过 piv 技术研究不同工况下滚 流测试过程中流场的微观结构。 主要研究内容有： 1. 探究直接测量方法模拟缸套出气口大小对其测量结果的影响规律。通过 改变模拟缸套出气口直径，研究不同出气截面面积下气流稳态流动特 性。 2. 研究直接测量方法模拟缸套出气口大小对其测量结果产生影响的本质原 因，并提出合理的优化方案。改变测量平面位置，选取与缸套中心对称 面距离分别为 0、18mm、29.7mm 的三个截面作为测量平面。 3. 研究气道压差对气道稳流特性影响规律。改变气道压差，在保证缸内气 流达到充分发展湍流的情况下，分别在气道压差为 3.5kpa 和 4.0kpa 下， 对模拟缸套流场进行测量。 第一章 绪论 13 通过上述研究内容，可以分析不同气道稳流测试和评价方法参数影响规律， 进而分析不同测试和评价方法存在差异的本质原因， 分析国际上不同滚流评价方 法的优劣，并提出合理的优化方案。 第二章 试验系统的建立 14 第二章第二章 试验试验系统的建立系统的建立 试验以气道稳流试验台为基础，在进行可视化处理后的滚流直接测量装置 上，利用粒子图像测速技术（piv） ，对不同尺寸参数（出口直径）的模拟缸套 内部的流场结构进行测试。 1 粒子发生器粒子发生器 2 测试缸盖测试缸盖 3 透明模拟缸套透明模拟缸套 4 反射镜反射镜 5 透明稳压箱透明稳压箱 6 气道稳压气道稳压筒筒 7 流量计流量计 8 孔板孔板 9 风机风机 10 计算机计算机 11 采集仪采集仪 12 激光器激光器 13 照相机照相机 图图 2-1 试验台架试验台架示意图示意图 图 2-1 为试验台架示意，试验台架主要包括待测试系统、气道稳流实验台架 以及粒子图像测速系统（piv）三部分。待测试系统由透明模拟缸套、透明稳压 箱、反射镜及测试缸盖组成。其中，透明模拟缸套置于透明稳压箱内，气流经测 试缸盖气道流入模拟缸套， 然后由模拟缸套两个出气口流出， 进入透明稳压箱内， 然后进入气道试验台气流通道。测试缸盖为汽油机缸盖，发动机部分参数见表 2-1。待测试系统置于气道稳流试验台上。稳流试验台采用的是天津大学自主开 第二章 试验系统的建立 15 发 tust 102 气道稳流试验台，主要由气道稳压筒、流量计、孔板以及风机等部 件组成。稳流试验参数(如气道压差等)通过计算机控制。piv 测试系统由相机、 激光器、粒子发生器及控制系统组成。光路布置如图 2-2 所示，激光器与 ccd 相机成 90 度角， 激光器片光源经反射镜反射到模拟缸套中， 由 ccd 相机拍摄速 度场。 表表 2-1 测试发动机部分参数测试发动机部分参数 缸径(mm) 79 行程(mm) 81.5 连杆长度(mm) 129.75 气阀直径(mm) 29 图图 2-2 piv 测试系统光路布置图测试系统光路布置图 2.1 稳流试验台稳流试验台 气道稳流试验是指， 气道前后两端稳定在一个确定的压差下，测量出缸内进 气流量系数以及涡流强度等。该测量装置如图 2-1 所示，主要包括动量计、模拟 缸套、稳压箱、稳压桶、流量计、变频器、风机等结构。试验台装置为吸气工作 方式，工作时，气道芯盒或被测气缸盖置于该装置的模拟缸套上，启动风机，气 流流动经由气道（进气道）模拟缸套动量计稳压桶稳压箱流量计风 机排出。 在气流运动的过程中， 气门升程以及气道压差的改变会导致涡流强度和流量 系数的变化。其中，通过位移传感器监控气门升程，通过压力传感器监控气道压 差， 气流的角动量测量方式主要有叶片风速仪和动量计两种方式，最后通过流量 计测