内燃机气道稳流试验评价方法[文字可编辑]

1、1,内燃机气道稳流试验评价方法的,比较,气道技术,2,3,燃,烧,动力性,经济性,排放特性,能,源,环,境,油,气,混合气,内燃机燃烧,3,1,内燃机缸内空气运动的主要形式,直喷柴油机缸内空气运动,涡流，立轴涡流，主要运动,挤流,湍流,汽油机缸内空气运动,滚流，横轴涡流,涡流,4,5,6,7,直喷柴油机及其螺旋,进气道,8,3,偏心,4,倾斜,2,2,倾斜,1,1,标准气道,螺旋,部分,通道,入口端,9,3,研究方法、技术,1,缸内流动过程的微观研究,湍流速度场的变化过程,热线风速仪,CTA,单点测量，速度、湍流强度,激光多普勒测速仪,LDA, LDV,单点测量，速度、湍流强度,激光粒子图像法

2、,PIV,PTV,多点测量，二维速度场，流谱图,多位数值模拟技术,CFD,二维速度场，流谱图，湍动能分布图,2,缸内流动宏观测量,稳流试验技术，即气道试验台,叶片风速仪测量法,涡流动量计法,3,宏观流动的评价方法,Ricardo,评价法，英国,FEV,评价法，德国,AVL,评价法，奥地利,SwRI,评价法，美国西南研究院,10,评价方法,涡流和滚流强度及流量系数的测量,测量,气道稳流试验台,评价,Ricardo,评价法,FEV,评价法,AVL,评价法,SwRI,评价法,11,12,3,风机,动量计,气道压差传感器,气门升程传感器,扭矩传感,器,数,据,采,集,计算机,流量计,气缸盖,涡旋转换器

3、,试验台面,滚流测量,图,5,气道稳流试验台结构简图,13,评价方法,1,Ricardo,方法,Ricardo,法用无量纲量,流量系数,C,F,在不同气门升程下气流通过进气道的能力,C,F,Q/(nAV,0,式中,Q,通过进气道的空气量,A,进气阀座内孔的面积,n,进气阀的数目,V,0,速度头,P,进气道前后压差,P,V,2,0,14,无量纲涡流强度,N,R,不同气门升程下的涡流强度,N,R,R,B/ V,0,R,是叶片转速,R,是气缸半径,可以推导出来,式中,1,和,2,分别为气门开启和关闭时的曲轴角度,S,是活塞行程,D,是进气阀座内径,因而可以推导出来,2,2,1,2,1,d,C,d,N

4、,C,L,R,F,R,F,D,S,2,D,n,S,B,L,D,2,1,1,2,1,d,C,C,F,Fm,15,定义,1,涡流比和滚流比,Rs,Rt,在进气结束时缸内空气,运动宏观角速度与发动机曲轴的角速度之比,定义,2,总的（流动）受限系数,Z,在额定发动机转速下,平均有效速度与吸入空气的音速之比。（进气马赫数,16,平均流量系数,音速,平均进气速度,Z,在发动机额定转速下,17,Ricardo,推导的假设,1,从气道进入发动机以及在稳流实验台上的气体是,不可压缩和绝热的,造成误差,2-3,2,无论是在发动机中的瞬态工况或者是在稳流实验,台中的稳态工况下，气道都具有相同的特性参数,如,CF,N

5、,R,3,发动机气缸内涡流为强迫涡流（如果采用的是片,式风速仪）。即刚体涡流,4,角动量都被保留了下来，表面摩擦不影响涡流,5,容积效率是,100,6,在进气过程中，经过气道的压降,p,是不变的,7,流入气缸的运动只出现在进气门开启到关闭的区,间，并从而流动速度取决于气门升程,18,评价方法,2-FEV,评价方法,大多数评价方法都以预测涡流比,Rs,滚流比,Rt,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,FEV,评价方法则不然，它只评价稳流试验台,上气道的特性参数,FEV,历来用叶片风速仪测量涡流和滚流，如图,2,所示,FEV,方法假定进气过程为可压缩绝热过程，采,用参数,k,

6、和,C,u,C,a,来评价气道的流通能力和涡流强度,5,其中,19,用叶片风速仪的方法测量涡流或滚流,FEV,a,涡流测量,b,滚流测量,20,FEV,分别用,K,和,Cu/Ca,来评价进气道通过气流,的能力和涡流强度,K,A,S,A,K,式中,A,S,进气道的有效面积,A,S,Q/V,0,V,0,速度头,A,K,气缸的横截面积,A,K,B,2,4,可以看出,K,是进气道的有效流通面积与气,缸面积的比值,评价方法,2,FEV,法,21,Cu/Ca,是气缸中叶片转动的切向速度与轴向速,度的比值,Cu=2,N,S,R,FL,式中,N,S,叶片转速,r/s,R,FL,叶片转动中心的半径,R,FL,0

7、.73B/2,Ca,Q/A,K,FEV,用,90,最大进气门升程所对应的,K,和,Cu/Ca,分别代表气道的平均流量系数和平均涡流比,22,评价方法,3,A,VL,Omori, Thien,等方法）的假设,1,气道进入发动机以及在稳流实验台上的气体是不,可压缩和绝热的,造成误差,2-3.5,2,发动机气缸内涡流为强迫涡流，即刚体涡流,3,在稳流试验台气缸中的轴向速度处处都是平均值,4,角动量都被保留了下来，表面摩擦不影响涡流,5,容积效率是,100,6,气流进入气缸的速度等于活塞运动所造成汽缸体,积的变化率,7,由,6,可得，流入气缸的运动只出现在进气行程的,上止点与下止点之间,23,气道的设

8、计与开发,实验装置,31357,锐孔板或,质量流量测量装置,电子计数器,气缸盖,稳压箱,Tank,到风机,气缸套,叶片风速仪叶轮,2.5D,n,D,p,1,叶片风速仪,p,m,m,m,叶轮转速,1.75D,涡流动量计,1.75 D,D,Tank,旁,通,p,2,P,T,a,a,a,24,流量系数,31360,流量系数,平均流量系数,m,m,th,z,4,d,v,2,流通能力,将流量系数与气缸面积关联起来,z,d,v,2,D,2,z,d,v,D,p,m,c,指数,m,平均,气阀数目,内座圈直径,汽缸直径,压降,测得的质量流率,实际的活塞速度,曲轴转角,空气密度,m,m,th,1,1,d,c,c,

9、m,3,1,2,0,2,p,25,气门座内径的定义,60874,z(dv/D)2,z,d,v,2,D,2,26,27,涡流比，平均涡流比，叶片风速仪,31361,令,汽缸内平均轴向速度,c,a,与活塞平均速度,c,m,相等，我们就可得到发动机的转速,n,c,m,30,sn,c,a,m,F,K,n,s,F,K,30 m,标准化的涡流比,n,D,n,red,n,D,n,D,s,涡流比,n,D,n,n,D,V,h,30m,平均涡流比,2,0,c,c,m,1,n,D,n,m,n,D,n,d,m,s,V,h,c,指数,m,平均,质量流率,发动机行程,活塞面积,气缸排量,实际活塞速度,曲轴转角,空气密度,

10、const,F,K,n,风速仪转速,min,1,发动机转速,min,1,n,D,28,稳流试验结果,60871,0,04,08,12,16,20,24,28,32,36,40,1,2,3,4,5,6,7,0,h,v,d,v,实验编号,d,v,1,2,3,4,0,n,D,n,red,1,进气道,Swirl,no,reduced,Swirl no,mean,flow,coeff,mean,flow,capacity,h,v,m,a,x,流,量,系,数,标,准,化,涡,流,比,n,D,n,r,e,d,29,4,气门,AVL,螺旋气道,60747,2.0,3.0,标准化涡流比,涡流动量计,3.0,2.

11、5,2.0,1.5,1.0,单次测量,涡流比,叶片风速仪,涡流动量计,涡流动量计,叶片风速仪,1.87,统计回归线,气道结果,标,准,化,涡,流,比,叶,片,风,速,仪,2.5,3.5,4.0,4.5,5.0,5.5,6.0,3.5,30,4,气门,AVL,切向气道,60748,0,2,标准化涡流比,涡流动量计,4,3,2,1,0,单次测量,涡流比,叶片风速仪,涡流动量计,涡流动量计,叶片风速仪,1.75,统计回归线,气道结果,标,准,化,涡,流,比,叶,片,风,速,仪,1,3,4,5,6,7,8,31,Ricardo,方法,对比涡流动量,计和叶片风速,仪,结果,螺旋气道,切向气道,各种气道所

12、得,涡流比值的,回归分析线,Swirl Ratio-Impulse Swirl Meter,涡,流,比,涡,流,动,量,计,涡流比,叶片风速仪,涡流动量计,叶片风速仪,1.43,Ricardo,32,稳流试验结果,排气道性能,m,0.426,撞击,Bump,引起气流分离,33,2,4,6,8,10,12,14,0.05,0.10,0.15,0.20,0.25,0.30,0.35,0.40,0.45,0.50,0.55,R,i,c,a,r,d,o,C,f,N,r,hv mm,Cf,Nr,国内某四气门柴油机进气道流动性能的,Ricardo,结果,34,2,4,6,8,10,12,14,0.0,0.

13、5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,F,E,V,C,U,C,A,hv mm,CUCA,某四气门柴油机进气道流动性能的,FEV,涡流比,还有其他形,状的。显然,考虑不同气门,升程涡流强度,变化对涡流比,的,综,合,影,响,积分），可,量化气道的性,能参数,35,36,Ricardo,推导的假设,1,从气道进入发动机以及在稳流实验台上的气体是,不可压缩和绝热的,造成误差,2-3,2,无论是在发动机中的瞬态工况或者是在稳流实验,台中的稳态工况下，气道都具有相同的特性参数,如,CF,N,R,3,发动机气缸内涡流为强迫涡流（如果采用的是片,式风速仪）。即刚体涡流,4,角动量都被保留了下来

14、，表面摩擦不影响涡流,5,容积效率是,100,6,在进气过程中，经过气道的压降,p,是不变的,7,流入气缸的运动只出现在进气门开启到关闭的区,间，并从而流动速度取决于气门升程,37,IO,TDC,BDC,IC,进气门开启区间,图,3,发动机进排气过程缸内压力,低压示功图,p,恒值,bar,38,如所周知，进气过程经过气道的压降,p,是由内燃机的低压,示功图决定的，典型的低压示功图如图,3,所示,9,史绍熙等,人的实验结果也大致如此，如图,4,所示,10,图,4,进气过程缸内压力,p,p,max,的变化曲线,7,1,实测,p,p,max,2,计算值,3,气门升程曲线,max,p,p,TDC BD

15、C,进气门开,进气门开启区间,进气门关,p,恒值假设,39,可以看出，进气过程汽缸内的,压力是在变化的，即经过气道的,压降,p,峰值,0.4bar=40,000Pa,是,变化的，其变化规律与活塞运动,造成的汽缸容积的变化率颇为相,似,40,而,Ricardo,的假设条件中认为：在进气过程中,经过气道的压降,p,是不变的。流入气缸的运,动只出现在进气门开启到关闭的区间，并从,而流动速度只取决于气门升程,而与之对应的,AVL,法采用的假设条件为,流入气缸的运动只出现在进气行程的上止点,与下止点之间。气流进入气缸的速度等于活,塞运动所造成汽缸体积的变化率。这两种假,设与实际情况的差别如何呢,41,仅

16、就进气过程汽缸内的压力变化与否而,言,A,VL,评价方法的假设是更加符合实际的,并且反映在,A,VL,的预测公式里，如式,6,其中,在积分式里，它表示的就是与活塞运动速度,造成汽缸容积的变化率有关的量,积分的效果是对不同气门升程下的涡流,比值进行加权平均,2,m,c,c,涡流比,d,42,0,20,40,60,80,100,120,140,160,180,200,220,0.0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,c,a,l,f,a,c,m,2,进,气,过,程,CA,F,2,m,c,c,进气过程,CA,43,显然，不同假设条件将得出不同,的预测结果来

17、,A,VL,Thien, Omori,Skle,等评价方法的假设是更加符合实,际的。但它限定了进气只能在上止点与,下止点之间进行，而这显然亦与实际情,况有悖,44,而,Ricardo,法假定进气出现在进气门开启,IO,到关闭,IC,的区间内这一条却更加符合实际,美国西南研究院,SwRI,评价法取了折衷，它假定进,气在上止点,TDC,开始直到进气门关闭时,IC,结束,可以看出，似乎还没有一种评价法的假设条件是完,美无缺的,虽然考虑不同气门升程涡流强度变化,对涡流比的综合影响（积分），可量化气道的性能,参数,45,然而毕竟发动机的进气行程,TDC-BDC,是,进气过程的主要阶段，新鲜充量中的大部分

18、是在,这期间进入气缸的。能更如实反映这一阶段缸内,压力变化情况的假设,A,VL,等），将能得到更加,如实的结果来。因为进气门提前打开、滞后关闭,期间进入气缸的空气量较少，只起辅助作用。忽,略它影响不大,46,变压差方法的提出,内燃机运行时气道内气体为充分发展,的湍流流动，其无量纲量是不变的,确立充分发展的湍流流动的实验条,件,免去对其压力差的调控,47,0,2,4,6,8,10,12,14,0,10,20,30,40,50,60,70,非,充分,发展,湍流,N,Re,60,000,充分,发展,湍流,N,Re,60,000,气,门,座,圈,内,径,m,m,速,度,头,或,气,道,压,降,kPa,

19、充分发展湍流时气门座内径与气道压降的关系,48,定压差,3500 Pa,与变压差试验结果的比较,49,4,结论,1,不同评价方法有不同的特点，了解它们、利用,好它们可以更全面地了解气道的性能，便于纵,向横向对比，丰富企业的数据库,2,假设条件与所得预测模型（表达式）密切相关,符合实际情况的假设，将能得出更加符合实际,的结论来,3,变压差稳流试验方法可降低劳动强度，大大提,高实验效率,50,1,引言,稳流试验台,评价进气道的方法,2,几种模拟不同气道偏差的机构装置,标准进气道，气道倾斜,气道偏心和胀大,3,试验结果及分析,标准进气道性能,带有倾斜偏差的进气道性能,兼有倾斜和胀大偏差的进气道性能,兼有偏心和胀大偏差的进气道性能,带有胀大偏差的进气道性能,4,对一组气缸盖进气道的检测结果,5,结论,51,入口端,左,右,斜率,1:50,出口端,定位孔,气道入,口端,出口端,1,2,3,4,5,6,7,8,图,2,倾斜进气道,52,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,定位孔,出口端,入口端,左,右,图,3,偏心进气道,方位,P,1,P.10 P.7 P.4,53,a,b,图,5,缸盖气道位置尺寸示意图,54,1,引言,稳流试验台,评价进气道的方法,2