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柴油机气道稳流试验应用研究 摘要 柴油机进气道是柴油机的重要组成部分，进气道性能的优劣直接决定着柴油机乃至 整车性能的高低。新鲜空气由进气道进入气缸的数量及其运动状态对发动机性能有重大 影响，设计制造出结构良好的进气道一直是柴油机设计制造者的追求目标，但在气缸盖 生产过程中，漂心和胀大等铸造误差导致气道流量系数和涡流比发生变化，最终导致发 动机整机性能的下降。故在大批量生产时，控制好气道质量极为重要。气道的结构形状 较为复杂，气道制造质量对所能形成的涡流比和流量系数值影响较大。因此，在柴油机 的批量生产中，需要对气缸盖的进气道进行稳流试验，分析其试验结果并采取措施以保 证制造质量的稳定性。 本文通过论述利用稳态流动试验法检测、试验内燃机的进气道的流量系数、涡流比 等流动特性参数，直接用于指导实际生产，从面达到以下作用和意义：1 ) 控制质量： 质量部门检测配件厂来的气缸盖质量、主机厂批量检测确保稳定性；2 ) 气缸盖气道流 动性能的在线检测；3 ) 开发新产品：新机型研发、新燃烧系统开发；4 ) 工艺控制：铸 造、机加工过程造成的倾斜、偏心误差。 通过对缸盖气道一致性的攻关研究，使缸盖气道检测性能合格率由研究前的1 0 提 高到6 0 以上。 关键词：涡流比稳流试验一致性 a p p l i e dr e s e a r c ho fs t e a d yf l o wt e s to fa i r ，a y o nd i e s e l a b s t r a c t t h ep e r f o r m a n c eo fi n t a k ep o r t s ，w h i c hi st h em a jo rc o m p o n e n to fd i e s e l e n g i n e ，h a sd i r e c ti m p a c to nd i e s e le n g i n ea n de v e nt h ee n t i r ec a r s i n c et h e q u a n t i t ya n dt h em o v e m e n to ff r e s ha i rg o i n gi n t ot h ec y l i n d e rt h r o u g hi n t a k e p o r t s ，h a v es i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h ee n g i n e ，w e l l d e s i g n e di n t a k ep o r t sw i t h e x c e l l e n ts t r u c t u r ei sa l w a y sw h a td i e s e le n g i n ed e s i g n e r sa r ea f t e r h o w e v e r , d u r i n gt h ec y l i n d e rc o v e rm a n u f a c t u r ep r o c e s s ，c a s te r r o r s ，s u c ha sf l o a t a t i o n e r r o ra n de x p a n s i o ne r r o r , l e a dt ot h ec h a n g eo fi n t a k ep o r tf l o wc o e f f i c i e n ta n d s w i r lr a t e ，e v e n t u a l l yd e c r e a s ee n g i n ep e r f o r m a n c e t h i sm a k e sq u a l i t yc o n t r o l o fi n t a k ep o r t sf a i r l yi m p o r t a n ti nb a t c hp r o d u c t i o n t h ei n t a k ep o r ts t r u c t u r ei s c o m p l i c a t e da n di t sq u a l i t yh a sr e m a r k a b l ei n f l u e n c eo ns w i r lr a t ea n df l o w c o e f f i c i e n t t oa s s u r et h e s t a b i l i t y o fp r o d u c t q u a l i t y , t h es t e a d y f l o w e x p e r i m e n t a t i o no fi n t a k ep o r t so fc y l i n d e rc o v e ri sf a i r l yn e c e s s a r y a st h i sa r t i c l ed e s c r i b e s ，b yt e s t i n gf l o wf a c t o r ss u c ha sf l o wc o e f f i c i e n ta n d s w i r lr a t eo fd i e s e l e n g i n e i n t a k ep o r t s ，a p p l y i n gt h er e s u l t so na c t u a l m a n u f a c t u r e p r o c e s s ，t h ef o l l o w i n g sc a nb ea c h i e v e d ： ( 1 )q u a l i t yc o n t r o l ，i n c l u d i n gt e s t i n ge n g i n ec o v e rf r o mp a r t sf a c t o r y , b a t c ht e s t i n gt oe n s u r eq u a l i t ys t a b i l i t y ( 2 ) o n l i n ep e r f o r m a n c et e s to fc y l i n d e rc o v e ri n t a k ep o r t s ( 3 ) n e wp r o d u c t d e v e l o p m e n t ，d e v e l o p i n g n e wm o d e la n dn e w c o m b u s t i o ns y s t e m ( 4 ) p r o c e s sc o n t r o l ，i n c l u d i n g t h ec o n t r o lo fi n c l i n a t i o ne r r o ra n d e c c e n t r i ce r r o rd u r i n gc a s t i n ga n dm a c h i n ep r o c e s s i n g a st h er e s u l to fr e s e a r c ho nc y l i n d e rc o v e ri n t a k ep o r t ss t e a d yc o n s i s t e n c y , n t h eq u a l i f i c a t i o nr a t eo f c y l i n d e rc o v e ri n t a k ep o r t sh a sb e e ni m p r o v e df r o m10 t oo v e r6 0 k e yw o r d s ：s w i r lr a t e ； s t e a d yf l o we x p e r i m e n t a t i o n ；c o n s i s t e n c y i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：均状 叫年多月2 岁日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 僦黻= 布幺布口即时发布翻解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：韵爪导师签名梅镌勿。产莎月力日 广西大学工程硕士掌位论文 柴油机气道稳流试验应用研究 1 1 引言 第一章绪论 c o ( 一氧化碳) 、h c ( 碳氢化合物) 、n o x ( 氮氧化合物) 、p m ( 微粒，碳烟) 等 是柴油机的主要排放污染物，这些有害气体直接影响柴油机的排放性能。 国家从2 0 0 8 年开始实施欧i i i 排放标准要求，特别如北京、上海、广州等大城市对汽 车已经提出了欧排放要求。国内各柴油机厂从可持续发展的角度出发，尽快达到国家规 定的欧m 、欧排放标准已变得迫在眉睫。 缸盖进气道是影响柴油机排放性能的重要组成部分，在柴油机生产过程中，控制好 缸盖进气道铸造、加工质量至关重要。但在气缸盖生产过程中，铸砂的质量、缸盖毛坯 变形、铸造时气道的形状和位置误差、缸盖机加工时关键尺寸误差导致缸盖进气道流量 系数和涡流比发生变化，最终导致发动机整机性能的下降。因此，在大批量生产缸盖时， 必须严格控制好气道质量。目前，国内外的通用方法就是对气缸盖的进气道进行稳流试 验，从而达到控制制造质量的目的。 1 2 国内外研究现状 缸盖的进气道形状、结构复杂不易用尺寸表达，实际进气过程在气缸中很难直接测 量，为了评价进气道的进气流量和气流品质，通常在无发动机的模拟试验台上进行稳流 模拟试验。 在柴油机行业里，缸盖生产过程中的质量控制，国内外普遍采用的方法基本都是稳 态流动试验法，通过检测缸盖进气道的流量系数、涡流比等流动特性参数来评价进气道 的性能。目前，对缸盖进气道的流量系数、涡流比的检测评价方法主要有r j c a r d o 、f e v 、 a v l 及s w r i 等评价方法。 1 3 本课题研究的主要内容及意义 缸盖进气道性能的优劣直接影响到柴油机的动力性、经济性及排放性，控制好缸盖 的铸造、加工质量是柴油机生产企业的重要工作。 广西大掌工程硕士学位论文柴油机气道稳流试验应用研究 在缸盖实际生产过程中，铸砂的质量、缸盖毛坯变形、铸造时气道的形状和位置误 差、缸盖机加工时关键尺寸误差会影响缸盖进气道的流动特性，从而影响缸盖进气道的 性能，要消除和避免这些进气道形状偏差，需通过缸盖进气道稳流试验来检查发现。 稳流气道试验台原理简单，通过检测进气道的流量系数、涡流比，从而判定缸盖进 气道性能是否合格，有快速出结果的特点，并且可通过柴油机整机试验验证，因此，国 内外普遍采用这种方法。 气道稳流试验在柴油机中的应用研究有以下作用和意义：1 ) 控制质量：质量部门 检测配件厂来的气缸盖质量、主机厂批量检测确保稳定性；2 ) 气缸盖气道流动性能的 在线检测；3 ) 开发新产品：新机型研发、新燃烧系统开发；4 ) 工艺控制：铸造、机加 工过程造成的倾斜、偏心误差。 2 广西大学工程硕士掌位论文 身 油机气道稳流试验应用研究 2 1 概述 第二章柴油机进气道的特点 燃料混合和燃烧的完善程度以及转换效率是柴油机性能的主要指标。在世界能源日 趋紧张的情况下，改进燃烧的质量提高柴油机动力性和经济性就显得非常迫切。影响燃 烧过程的关键因素是进气系统、燃烧室结构、供油系统三者之间的匹配。其中，对柴油 机燃烧速率及混合气形成质量起很大作用是进气系统内气体的流动。 进气道性能优化的关键，就是选取一个最佳的涡流比和尽可能大的流量系数，使柴 油机的综合性能最优。充分混合的混合气和有效的燃烧，需要通过高速旋转的进气涡流 来获得。进气道涡流比与流入气缸的气流的动量矩成正比，涡流比小，气流的动量矩也 小，涡流比太小时，燃油与空气不能充分混合，这种现象表现在柴油机低速运转时；涡 流比过大时，气流的动量矩也很大，燃油束重叠，燃油与空气也不能充分混合达到最佳 状态。因此，恒定涡流比进气道都无法兼顾不同柴油机工况的要求。国内柴油机现大多 采用的是恒定涡流的进气道，进气道性能优化就成为关键工作。 2 2 影响柴油机气缸内混合气形成的因素 汽车燃油柴油化是汽车工业发展的一个重要趋势，柴油机的技术开发和应用越来越 受到重视。柴油机性能的好坏，与各个方面进行优化匹配有关。合适的混合气需要控制 好喷入气缸的燃油，使之与空气充分混合。 空间雾化混合、油膜蒸发混合这2 种方式是混合气形成的基本方式，且多数燃烧室 以空间雾化混合方式为主【1 1 。燃烧室形状、燃油喷射的雾化、空气的扰动这三种因素影 响雾化水平【2 】。 ( 1 ) 空间雾化混合：喷向燃烧室空间的燃油与燃烧室形状相配合，并利用燃烧室 中的空气运动混合均匀，形成雾化混合物。 ( 2 ) 油膜蒸发混合：将大部分燃油喷到燃烧室壁面上，形成一层油膜，油膜受热 蒸发，在燃烧室中强烈的旋转气流作用下，燃料蒸汽与空气形成均匀的可燃混合气。 在实际应用中，两种混合方式混合使用，只是主次、多少不同。目前，以空间雾化 混合为主的柴油机仍占多数，而以油膜混合为主的主要是球形燃烧室柴油机。 广西大学工程硕士学位论文柴油机气道稳流试验应用研究 空间雾化混合方式混合气的形成过程比较复杂，在燃油喷入气缸的持续时间里，燃 烧实际上已经开始，因此，同时还伴有燃烧产物的影响。形成混合气的条件受以下三方 面的影响： 1 燃烧室形状 直燃式燃烧室由气缸盖底部气缸壁和活塞的顶部构成。而燃烧室的形状主要由活塞 顶部的结构决定。因此，活塞顶部的结构应配合燃油喷射出来的油束形状，保证空气与 燃油能充分混合，从而形成合适的混合气。 2 燃油喷射的雾化 要形成良好的混合气，就需能将射入燃烧室的燃油雾化并分布在燃烧室各部分，这 样燃料蒸发的表面积增大与氧接触的机会增加，油气迅速混合。但实际上，对于一个定 型的柴油机，其燃烧室形状及空气扰动情况设计时已定型，不能任意改变的，因此，混 合气的质量取决于油束的雾化情况。 油束本身特征决定油束雾化质量： 喷雾锥角p ：对相同的喷油器结构，一般用p 来标志油束的紧密程度。 油束射程l ：即油束的贯穿距离，又称贯穿力。l 的大小与喷到燃烧室壁上的燃油 多少成正比。但l 过小时，喷到燃烧室壁上的燃油就较少，燃烧室中油气就不能充分混 合，因此，油束射程l 的选择，必须满足不同混合气形成方式的要求与燃烧室互相配合。 雾化质量( 雾化特性) ：一般指喷散的细度和喷散的均匀度。雾化质量越好，喷散得 越细，越均匀。用油束中油粒的平均直径来表示喷散细度；用油粒的最大直径和平均直 径之差来表示喷散的均匀度。喷嘴结构、喷孔直径、喷油压力、油泵凸轮外形及转速、 介质反压力、以及燃料粘度等都是影响油束特性的因素。 3 空气的扰动 燃烧室里旋转运动的空气可以促进喷入的燃油与空气充分混合。在柴油机开发时， 把柴油机气缸盖上进气道设计成特殊形状，例如螺旋进气道，这样使通过螺旋进气道进 入燃烧室里的空气有强烈旋转运动，再辅以特殊的燃烧室形状和油束的喷射方向，就可 获得充分混合的良好混合气。以下两方面为燃烧室中有组织的空气运动对混合气形成的 主要表现作用： ( 1 ) 空气运动可以促进油束分散，增大油气混合的范围。涡流随着空气运动转速 的提高而增强，气流对油束的吹散作用也越大。 ( 2 ) 混合作用：在燃烧室中的空气运动规律一般认为比较接近势涡流的规律，即气 4 广西大学工程硕士学位论文柴油机气道稳翻嘣0 验应用研究 流的切向速度随燃烧室半径的增大而减小。 2 3 进气流动对柴油机性能的影响 2 3 1 进气流动对柴油机缸内燃烧性能的影响 1 迸气流动对紊流流动规律的影响 当燃烧室的形状一定且不考虑喷雾和燃烧时，燃烧室内气流运动出现了双涡乃至多 涡的紊流流动结构，因为燃烧室内气流运动主要由挤流和涡流构成。在上止点前，涡流 的作用范围随着涡流比增大及高紊流动能区越靠近凹坑壁面而增大。在上止点附近，高 紊流动能区主要集中在喷油嘴附近，随着涡流比增大，高紊流动能区从燃烧室凹坑向挤 流区发展的速度也越快。涡流比越大，燃烧开始前缸内温度分布越均匀，燃烧后高温区 向四周扩散也快【3 】【4 】。 2 进气流动对燃烧的影响 在同样的流动情况下，预混燃烧量和平均紊流粘性及局部温度是函数关系，前者是 后两者的函数，涡流是以通过增加燃油与空气接触面积对扩散燃烧的混合作用产生极其 重要的影响。 3 紊流型燃烧系统对进气涡流的要求 紊流型燃烧系统协调柴油机运行经济性与排放指标间的矛盾，主要通过利用进气涡 流、挤流、微涡流及其衍生的复杂紊流场，适时加速空燃混合搅拌作用来实现。由于紊 流型燃烧室为非正旋体，为了减少排放与n o x ( 氧化氮) 生成，其喷油定时较迟，而为了 确保良好的经济指标，空燃混合与燃烧又须在较短的时间内完成，因此，与之匹配的进 气道的进气涡流比一般最终选择都较一般的小型直喷式柴油机的要高一些。由于混合气 形成期内在较大时空域内存在着较大的空气动量耗散过程，故需较大的进气涡流比【5 】【6 】。 2 3 2 进气流动对柴油机排放性能的影响 1 微粒排放 一定涡流比的瞬态工况，柴油机p t ( 微粒) 的排放量随着转矩变化率的增大而逐渐增 高。造成p t 排放量增加的主要因素是s o ：排放量的增加【7 1 。相同的转矩变化率下，柴 广西大掌工程硕士掣q 立论文柴油机气道稳翻 验应用研究 油机p t 排放量随着气缸内涡流水平的提高逐渐降低。对于有较高涡流水平的瞬态工况， 柴油机微粒排放量受相对较弱的温度滞后效应具有比较低的增长速率。通过涡流来强化 燃油和碳烟与氧的混合可使发动机排出的碳烟降低。 2 废气排放 在涡流比的整个变化范围内，n o x 排放量随着涡流比的增大而逐渐增大。因为随 着缸内涡流的加强，燃料与空气的混合加速，燃烧速率提高，致使燃烧室温度较大，n o x 的形成加速，使得n o x 排放量增加。碳氢化合物h c 排放量随着涡流比的增大而逐渐 减小，并且，发动机负荷越大，h c 排放量降低速度也越快。因为随着涡流的增强，燃 烧速率也提高了。发动机负荷越大，形成的混合气也越浓，也需要较强的涡流强度。在 一定的涡流比的变化范围内，c o 的排放量随着涡流比的增大而逐渐减小，并且发动机 负荷较大时，c o 的减小更为明显【8 】。 对于已定型的发动机，不总是涡流比越高越好，而是在燃烧室结构、供油系统参数 和涡流比之间寻求最佳匹配，过低的涡流比可能造成混合不良，影响发动机的性能；过 高的涡流比将会引起油束贯穿度不足，充气效率下降，干扰下游油束燃烧等不良效果。 2 4 小结 本章主要介绍了影响柴油机气缸内混合气形成的因素、进气流动对柴油机缸内燃烧 性能的影响、进气流动对柴油机排放性能的影响。燃烧的质量作为提高柴油机动力性和 经济性的主要途径。影响燃烧过程的关键因素是进气系统、燃烧室结构、供油系统三者 之间的匹配。对柴油机燃烧速率及混合气的形成质量起很大作用是进气系统内气体的流 动。 6 广西大掌工程硕士掌位论丈柴油机气道稳翻嘣0 验应用研究 第三章组织进气旋流的技术措施 3 1 形成进气涡流的方式 高速旋转的迸气涡流可形成良好的油气混合气和提高燃烧速率。进气涡流是指进气 流获得方向性而在气缸中形成旋转运动，其原理是利用进气道内壁以及进气门的形状等 结构要素获得。形成进气涡流的主要方式有：带导气屏的进气门、螺旋进气道、切向迸 气道和扭切进气道等。本文只介绍螺旋进气道。 3 2 螺旋进气道 螺旋式进气道就是在进气道的进气门上方的气门腔内制成螺旋形结构。气缸盖设计 时已定好，如图3 1 所示。 图3 - 1 螺旋进气道 f 培3 - 1 h e l i c a li n t a k ep o r t 螺旋进气道的气门口出气流的速度相当于在匀速分布的基础上，增加一个切向速度 v ，合成后的速度是一个中心对称图形。因此，除了螺旋气道本身形成的动量矩外，速 度分布对气缸中心不再形成动量矩了。由于在气缸盖上布置气道时，螺旋室高度值不能 很大，气流流入气缸时必然会含有一部分切向气流的成分，因此实际使用的螺旋气道中 的空气旋转运动均由两部分组成【9 】。 这种进气道适用于要求强涡流的直喷式柴油机，其优点主要是：涡流强度大，流动 阻力小。 另外，此种进气道的涡流强度和流量参数的变动范围要求较严，制造过程中形状位 置公差和表面质量对柴油机性能影响较大，制造过程中要严加控制。 7 广西大学工程硕士掌位论文柴油机气道稳流试验应用研究 螺旋进气道应用较广泛，因为在宽广的旋转范围内可以和供油系统获得较好的匹 配。 直喷柴油机对螺旋进气道的要求 涡流比一定：与燃烧系统、燃烧室、喷油达到匹配：实现高功率、低烟度、低油 耗【1 0 1 。 流量系数足够高：保证有足够高的充量。 3 3 进气旋流组织的技术发展趋势 气道结构已定型的发动机，涡流比已定。恒定涡流比进气道无法兼顾不同柴油机工 况的要求，涡流比太小时，燃油与空气不能充分混合；涡流比过大时，燃油束重叠，燃 油与空气也不能充分混合达到最佳状态。因此，为了满足发动机的经济性、排放性、性 能最优化，需要一种具有可变涡流的进气道，涡流强度随发动机转速的变化自动调整， 发动机在低转速时具有高的涡流比，在高转速时有低的涡流比。采用可变涡流进气道将 有利于发动机在整个转速范围内性能最优化，便于消除各缸之间涡流比的差异。随着世 界能源的日趋紧张及国家环保法规的越来越严格，可变涡流的进气道技术已引起国内各 柴油机企业越来越重视。如国内柴油机企业已生产出的4 气门高速直喷柴油发动机，其 进气道就是由螺旋进气道和切向进气道相结合的【1 1 1 。随着可变涡流进气道技术的不断成 熟，其应用将越来越广泛。 3 4 小结 本章主要介绍了形成进气涡流的方式、螺旋进气道、进气旋流组织的技术发展趋势。 螺旋进气道适用于要求强涡流的直喷式柴油机，其主要的优点是：涡流强度大，流动阻 力小。可变涡流进气道是柴油机发展的方向。 8 广西大掌工程司e b 学位葭咒定舅 油机气道稳鞠嘣0 验应用研究 第四章柴油机进气道的性能评价 柴油机进气道产生进气涡流的强度是影响柴油机燃烧和性能的重要指标。而在实际 运转的柴油机上进气道内的气流运动随活塞和气门的运动而周期性变化，很难对它进行 测量和评价。利用稳态流动模拟试验方法可以把进气道的进气涡流强度测量出来，从而 评价进气道性能的优劣。通过设定模拟试验条件和选择合适的评价参数，把稳态流动模 拟试验的结果与实际柴油机运转中的非稳态流动很好的对应起来。但由于该问题比较复 杂，目前，在国内外尚没有一个统一的评价标准。现在，国内j l - l k 较普遍采用的评价方 法有：德国f v e 评价方法、奥地乖u a v l 评价方法、英国r i c a r d 评价方法和美国s u o t h w e s 评价方法。这四个评价方法考虑的侧重点也不同，各有优、缺点。 国内外不同的柴油机生产厂家采用的进气道稳流试验装置虽然不完全相同，但结构 和原理基本上差不多，而所用的评价方法则差别较大，以下介绍3 种试验与评价方法。 4 1a v l 法 整个试验假定进气只在吸气行程进行，且按定压差进行。某一升程下的气道流量系 数仃= 实测空气流量理论流过直径与气门阀内径相等的断面的空气流量之比，如下公 式( 4 - 1 ) 所示。 疡 仃= _ ( 4 1 ) m t h 姚m t h - z 字户 平均流量系数为：(皿=了手ii嘶1 ( 4 - 2 ) ( 4 - 3 ) 式中，廊实际质量流量，瓯理论质量流量 涡流比= 叶片或扭矩动量仪转速实测空气流量当量发动机转速之比。气门升程范围 内平均涡流比= 进气冲程下止点前进气冲量等价的缸体转速发动机转速之比【1 2 】。 叶片风速仪计算公式： 9 广西大掌工程硕士掌位论文柴油机气道稳崩啊式验应1 1 研究 涡龇鲁= 訾 其中，圪为活塞排量，为叶片风速仪转速 修正涡流比：( 坠) 耐= 一n o d 其中，d 为气缸直径，s 为冲程 平均涡流值：( 塑) 脚= 三f 堡( 塑堕) 2 畋 n7 d , i 刀 c 一 其中：口为曲轴转角，= 嚣= 者，z = 石3 0 瓦& ，最为活塞头部面积。 扭矩仪计算公式 涡流比：鲁= 2 m 嘉 修正涡流比：( 坠) 脚= 2 m 啬 n p y 。 其中：彩= 等 = m 面2 历4 0 瓦刀= 面3 0 t h m 为扭矩 4 2f e v 法 ( 4 - 4 ) ( 4 - 5 ) ( 4 - 6 ) ( 4 - 7 ) ( 4 - 8 ) 德国f e v 方法用流量系数a l f k 和涡流比c u c a 两个参数来表示进气道的特性， 假设进气过程为可压缩绝热过程，这个方法很好反映气道与气缸的匹配情况。它主要利 用有代表性的气门升程结果来评价进气道性能优劣。 流量系数= 进气道气门的有效流通截面积发动机活塞面积之比，它在一定程度上代 表了该气道对发动机的适应能力。 流量系数吼( 彳三f k ) 2 妻 式中，以= z 4 b 2 为活塞顶面面积，m 2 ； ( 4 - 9 ) 4 = 詈 为进气道气阀流通有效截面积，- n 2 ； 涡流比用c u c a 2q c 口表示，其中q 为模拟气缸中的平均轴向速度，e 为空气 1 0 广西大学工程硕士学位论文柴油机气道稳流试验应用研究 在气缸内旋转的平均切向速度，它在一定程度上反映了进气道形成涡流的能力。 c , c o = 镥( 4 - 1 0 ) 其中，i h 为叶片旋转中心半径，r f l 0 7 3 b 2 f e v 方法评价进气道的进气流通能力和涡流强度，是以柴油机在最大升程9 0 时 所对应的鲰作为气道平均流通系数和c u c a 作为平均涡流强度。 4 3ric a r d o 法 律。目前国内大多数柴油机行业使用这种方法。以流量系数c f 表征气道的节流特性1 3 1 。 c f = 老 限1 1 ) 其中q 为空气流量已知，气门面积a 已知 钔嗽名义速度= 厚= 浮( 4 - 1 2 ) = 二q _ = 署、赤 ( 4 _ 1 3 ) a v 2 a 尸p r t 那么平均流量系数 c 加：业( 4 - 1 4 ) 式中，ql 、q2 分别为气门开启和关闭时的曲轴转角； 气门开启时气体流经气门所形成的涡流，用无量纲涡流强度n r 表示： ：0 l ( 4 1 5 ) m b g o 广西大掌工程硕士学位论文柴油机气道稳翻走验应用研究 易i g n r d a 咫秀2 街 国f i 口；l ( 4 - 1 6 ) 其中g ，峨已求出 三n ：旦 ( 4 1 7 ) l d2 n d 2 l q b ：缸径s ：活塞冲程n ：进气门数d ：气门直径 r i c a r d o 评价方法、a v l 评价方法、s w r i 评价方法都以预测涡流比r s ，( 进气终了 气缸中涡流的转速与发动机曲轴转速之比) 为目的。但f e v 评价方法只评价稳流试验台 上气道的特性参数。 r i c a r d o 评价方法积分区间为气门开启到关闭，测多个点。 f e v 评价方法测9 0 气门升程时的数据，只测一个点。 a v l 评价方法积分区间为上死点到下死点【1 4 】，测多个点。 这3 种评价方法的假设条件不同、推导公式也不同，相互之间也不能换算。玉柴目 前使用r ic a r d o 评价方法和f e v 评价方法。 4 4 小结 本章主要介绍了进气道流动特性的三种常用评价方法，r i c a r d o 评价方法、f e v 评 价方法、a v l 评价方法。r i c a r d o 评价方法积分区间为气门开启到关闭，测多个点；f e v 评价方法测9 0 气门升程时的数据，只测一个点；a v l 评价方法积分区间为上死点到下 死点n 4 】，测多个点。 1 2 广西大掌工程硕士学位论文柴油机气道稳流试验应用研究 第五章进气道稳流试验台及工作原理 用稳态流动试验法检测、试验内燃机的进气道的流量系数、涡流比等流动特性参数 是国内外广泛采用并行之有效的方法。 稳流气道试验台原理简单，结果可靠，能迅速给出结果，广泛用于直接指导生产。 在国内刘书亮教授和黄宜谅教授对气道稳流试验也分别进行了卓有成效的工作，特 别是刘书亮教授所研制的气道试验台已经在企业中得到了较为广泛的应用。 本文介绍的是天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室自行研制的t u s t l 0 2 气道稳 流试验台。 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室最近研制的产品t u s t l 0 2 型发动机气道稳流 试验台，为t u s t 型发动机气道稳流试验台的改进型，采用国家发明专利：内燃机气道 流动性能稳流试验可变压差试验方法，从本质上改善了气道稳流试验的方法，大幅提高 了检测效率。同时在数据采集和处理的硬软件上进行了大幅改进。该试验台总结了天津 大学内燃机燃烧学国家重点实验室刘书亮教授等科研人员多年来从事发动机气道研究 和试验的经验，借鉴了国外著名内燃机研究机构( 如r i c a r d o 研究所、a v l 研究所、f e v 研究所和美国s o u t h w e s t 研究所) 气道试验台的结构和评价方法，实现了信号的全自动 采集、显示和处理，采集软件运用了中文w i n d o w s 图形界面，易于操作和学习。试验台 一次试验，可同时进行国际上多种评价方法的计算和处理，同时本试验台不仅可进行变 压差试验，还可进行国际上通用的定压差试验。 5 1 气道稳流试验台特点 1 、宽阔的平台，可放置从气道模型到多至六缸一盖的发动机成品缸盖： 2 、快速的气缸盖定位起落机构，方便操作； 3 、简便的气门开启机构，不用拆掉气门弹簧； 4 、采用自行研制的涡流动量计，对气流反应机敏； 5 、采用高风压的离心风机，减少了成本和噪声，可大幅减小稳压箱的体积，使整 个试验台的规模变小； 6 、可准确测量、控制气门升程和进气道压差，使试验迅速准确； 7 、所有参量通过数据采集仪由计算机采集，并适时给出试验结果，并绘制图形， 1 3 广西大学工程硕士学位论文柴油机气道稳流试验应用研究 打印结果： 8 、所用采集数据为软件设定时间内上千次( 采集频率1 k ) 测量的平均值，使读数 误差、测量误差减至最小； 9 、采用r i c a r d o 、a v l 、f e v 、美国西南研究院等评价方法计算涡流比和流量系 数等气道参数，试验结果具有横向和纵向可比性。 5 2 功能 1 、可用在实验室进行四冲程发动机气道的开发、研制和成品缸盖的抽样试验； 2 、可用在缸盖生产线上，检查每一成品或抽查缸盖的气道性能，迅速完成试验， 并准确地评判气道性能： 3 、可测量进气管和滤清器的流量特性。 5 3 软件 t u s t - v 内燃机进排气特性测试分析系统软件采用c + + 语言编写，界面简洁明快， 易于操作使用。软件主要特点如下： 1 、通过u s b 通用串行接口与采集仪通信，可在w i n d o w s 9 8 、w i n d o w s m e 、 w i n d o w s 2 0 0 0 及w i n d o w s x p 等操作系统上使用。 2 、与t u s t - v 采集仪相配合，可对气道压差、稳压筒压差、流量计压差、动量计 扭矩( 叶片风速仪转速) 、流体温度、孔板压差( 涡街流量计) 及大气压力进行 测量； 3 、动态跟踪各被测量的变化，可设置单次测量时间，适于现场调节使用； 4 、软件根据缸盖类型、测量日期将数据存入指定的硬盘路径内，文件名由缸盖 类型、缸盖编号、缸头号以及测量日期组成，便于查看。可在软件界面上直 接浏览保存到硬盘上的数据，掌握测量情况； 5 、测量过程中不仅对流量系数、涡流强度进行计算，同时绘制出测量的物理量， 便于跟踪各物理量的变化过程； 6 、测量数据保存时将各通道传感器参数、缸盖参数等同时存到文件中，使数据 读入过程与采集过程完成一致，增强了数据的独立性； 7 、 提供了文件文本存储方式。 1 4 广西大掌工租礤士学位论文舞油机气地穗澶试瞳应用研究 8 、采用数据库技术管理缸盖类型及其参数，便于添加及修改： 9 、采用四种方法对缸盖进排气特性进行评价，分别是r i c a r d o 评价方法、f e v 评 价方法、a v l 评价方法和s w r i 评价方法； 1 0 、提供了5 种打印输出格式，分别是打印测量数据、打印计算结果、打印测量 数据和计算结果、打印图形、打印测量数据及图形； 测量结果l 算镕| * 价$ 款 图5 一l 数据卉看界面 f i g5 ，i d a m m o n i t o r i n t e r f a c e 图5 - 2 测量结果显示区 f i g5 2 m e a s u r e m e n tr e s u l ts e c t i o n 集 由机气琏髓漶谜验应用研究 镕 # 镕* l * 懈 莲 b _ u 1 17 5 o0 4 6 0o0 2 0 208 3 0 5o8 0 4 7_ j ；2 20l 4 f i 900 4 1 6o0 2 5 3o6 0 0 3o5 8 1 6 1 1 10 1 8 3 70 1 2 8 700 3 1 6i t 8 日414 4 0 s 生型l 一 ，0 302 1 “03 2 8 300 3 6 932 4 “3 1 4 7 6 基皇l 一 ，9 8 02 5 9 5 03 0 ”00 “624 6 7 923 9 l4 蓖奠臣_ 一 ，e 2o2 9 4 4 8 700 5 0 732 3l 13 1 3 0 9 堇型l 一 9 i03 3 0 204 8 0 200 5 6 830 8 5 029 8 9 3 茎型l 一 l8 403 7 3q 306 0 2 。00 6 | | 23 2 33 1 7 7 熊型l 一 00 903 9 8 306 7 3 900 6 8 535 日8 734 7 t 4 l0 9 104 2 l l08 0 2 300 7 2 540 4 1 739 i 6 3 挺韭l 17 l04 4 i 509 1 0 7 6 0 3 9 1 3 42 5 5 1 熊型l 一 2g 70 “8 9 09 6 8 000 * 7 245 7 川2 5 g l3 6 504 6 0 309 b l5 00 7 9 2 45 2 2 943 8 2 6 囤5 - 3 计算结果显示区 f i g5 - 3c a l c u l a t i o nr e s u l ts e c t i o n h # * i * # 镕$ * l 参i r e t ；牲i ie t * r e * 一 6 1 3 51 1 12 u d # i 十航i # 03 3 9 2 日* * 虹。 38 5 6 1 r 皿* j 姐 t 03 3 7 2 蝴* 姐一46 0 5 6 54 结构 图5 - 4 平均结果显示区 f i g5 4a v e r a g er e s u l ts e c t i o n 试验台主要包括试验台体主体、输送辊道、稳压箱、进排气管路和气动调节阀、模 拟缸套、气体涡( 滚) 流测量装置、气体流量测量装置、涡流动量计、涡街流量计、高 压离心风机及变频器、以及数据采集处理显示、电器控制等几部分组成。系统可自动测 量采集气体压力、温度、流量及涡流动量等多个基本参数。系统结构示意图如下图示。 幽5 - 5 稳流气道实验系统示意国 f i g5 - 5d i a g r a mo fs t e a d y f l o we x p e r i m e n to f i n t a k ep o r t s 广西大掌工程硕士学位论文豢油机气道稳流试验应用研究 5 5 进气道试验工艺 介绍实际生产过程中进气道的性能评价。 l 、输入对应的测试参数 气道稳流试验台试验时要根据不同机型输入对应的测试参数。下表5 - 1 为 y c 4 g 2 2 0 2 0 柴油机气道测试输入参数。 表5 - 1y c 4 g 2 2 0 一2 0 柴油机气道测试输入参数 t a b l e5 - li n p u tp a r a m e t e r so f y c 4 g 2 2 0 - 2 0d i e s e le n g i n ea i r w a yt e s t 柴油机型号y c 4 g 2 2 0 一2 0 机型代号g 2 0 0 0 g 2 8 0 0 测试输入参数 缸径1 1 2 行程1 3 2 连杆长度 2 1 0 8 2 进气门座密封带小径 3 5 4 0 7 d v 排气门座密封带小径 3 2 1 5 6 d v 进气摇臂比4 5 3 3 1 5 排气摇臂比4 5 3 3 1 5 气门间隙进气门0 4 0 0 0 5 ：排气门0 4 5 0 0 5 环境大气压 配气相位a )进气门开：上止点前7 。；b ) 进气门关：下止点后3 1 。；c ) 排气门开：下止点前7 3 6 。；d ) 排气门关：上止点 后 2 7 4 。 2 、选择评价方法 根据不同的机型及工艺要求选择r i c a r d o 或f e v 评价方法。 1 7 广西大学工程硕士掌位论文 柴油机气道稳流试验应用研究 3 、进气道试验工艺流程 图5 - 6 气道试验工艺流程图 f i g5 - 6p r o c e s sf l o wd i a g r a mo fi n t a k ep o r te x p e r i m e n t 1 8 广西大掌工程硕士学位铽艺桨油机气道稳流试验应用研究 5 6 小结 本章主要介绍了气道稳流试验台的结构、特点、功能及软件。试验台实现了信号的 全自动采集、显示和处理，采集软件运用了中文w i n d o w s 图形界面，易于操作和学习。 试验台可同时进行r i c a r d o 、a v l 、f e v 、美国西南研究院等评价方法的计算和处理， 同时本试验台可进行变压差试验、定压差试验。稳流试验台结构简单，评价结果可靠， 能迅速给出评价结果，广泛用于直接指导生产。 1 9 广西大掌工程硕士学位论文 柴油机气道稳流试验应用研究 第六章螺旋进气道形状和位置偏差对涡流比及流量系数影响 螺旋进气道的流动特性直接影响空气和燃油的混合过程和燃烧过程，它对直喷式柴 油机的功率输出，燃油经济性、排烟以及排放等都有巨大影响。 螺旋进气道形状复杂，因此，对铸造和机加工生产过程要求很高。在铸造时由于气 道沙芯的漂移以及机加工中的加工误差等原因，往往使气道的形状及气道和气门座的相 对位置偏离设计要求，造成气道的涡流比和流量系数发生变化，导致柴油机燃烧恶化，性 能下降。因此，为了提高气缸盖的制造质量，降低废品率，保证柴油机的优良性能，有 必要找出不同误差是如何影响螺旋气道的流动性能以及影响气道性能的程度。 常见的影响气道性能的因素主要有：偏心、倾斜、胀大或它们之间的组合。偏心： 机械加工后出现的阀座中心线( 及导管中心) 与气道口或螺旋气道蜗壳中心不重合的现 象；胀大：即在制做气道泥芯过程中，气道芯盒的分型面处有一定厚度的夹沙或叫皮缝， 使气道纵向胀大等；倾斜：气道泥芯在铸造过程中由于漂芯或加工定位问题造成的气道 在某一方向的倾斜。 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室刘书亮、刘德新，及广西玉柴机器股份有 限公司沈捷等，通过利用稳流试验台试验，得出了螺旋进气道形状和位置偏差对涡流 比及流量系数的影响结果，试验采用了f e v 评价方法和r i c a r d o 评价方法。 6 1 倾斜气道对气道性能的影响 气道倾斜是气道蜗壳中心线相对于阀座中心线倾斜成一定角度，主要原因是气道 泥芯在铸造过程中漂芯或定位问题造成的，其气道整体形状保持不变。 j 西大掌工程硕士学位论文 柴油机气道稳流试验应用研究 7 圃 磕：位孑l 图6 1 倾斜气道示意图 f i g6 - 1i n c l i n e di n t a k ep o r td i a g r a m 试验结果表明：气道倾斜对气道涡流比影响较大，气道进口处抬高使涡流比减小， 进口处降低涡流比增大【15 1 。 0 3 5 0 3 4 e 0 3 3 o 0 3 2 1 9 1 8 叱1 7 1 6 1 5 弋一五- 标准气道 ： -i ii ， r + v _ -i_ 234567 8 倾斜方位 0 0 0 5 0 0 9 0 0 0 8 5 0 0 8 0 0 - 0 7 5 1 6 卜弋： 标准气道 弋 -ii- 2345678 倾斜方位 图6 - 2 倾斜气道性能曲线图 f i g6 - 2p e r f o r m a n c ed i a g r a mo fi n c l i n e di n t a k ep o r t 6 2 偏心气道对气道性能的影响 着重研究气门座中心线和螺旋进气道蜗壳出口中心线不重合( 偏心) 时气道性能所 受的影响。 2 1 d 君7 2 1 1 1 n)、)。o，13 广西大掌工程硕士学位论文柴油机气道稳翱嘣：验应用研究 几嗣 - 一 位孔 侉 - - r _ i c 赴10 j ：f 赶7 二亡t 也4 图6 - 3 偏心气道示意图 f i g6 - 3 e c c e n t r i ci n t a k ep o r td i a g r a m 试验结果表明