螺旋进气道气门口处流速分布的研究.docx

1、考文献1JT.J.WiUims.直按喷射式柴油机淞烧室内气流的计算与测量.】3thCIMAC1979.D24吕卡室珍流试脸台试睛结果分析与精度.国外为的机，1978,No.52 G.1'ippelixiann.AnewmethodofInvestigationofswirlports,SAEpaper770404毒馅明等.在说流试验台上对内魅机旋流进气过程的研究,西安交通大学.1980.93 D.R.Lancaster.EffectofEngineVariblesonTurblenteinaSparkIgnitionEngine.SAEpaper76015961田X2证一成ZW特性IC

2、OOT.日本横饿学会濡文集，1977.No.6A«E.Cataniaetc.ASMEMeetingonFlowinICE,1982.P33(8 M.J.Tindaletc.ASMEMeetingonFlowinICE,1982.PIO螺旋进气道气门口处流速分布的研究李骏(附近照)钱疆义吉林工业大学)陆季宽长春汽车研究所)AStudyonSteadyFlowVelocityDistributionAroundtheValveSeatofHelicalPortLiJun(withthelatestphoto)QianYaoyi(JilinUniversityofTechnology)Lu

3、Xiaokuan(ChangchunAutomotiveResearchInBtituto)AbstractInthispaper,ahot-wireanemometerisusedforobtainingtheairflowvelocitydistributionaroundthevalueseatannulusofhelicalport.Itisfoundfromtheexperimentandanalysisofseveraldifferenttypesofhelicalportsthattheang>ularmomentumfluxaroundcylinderaxisproduc

4、edbytangentialvelocityatintakevalveseatannulusaccountsforabout60%ofthetotalangularmomentumflux.Thismeansthattheswirlincylinderismainlyproducedbytangentialvelocityatvalvesealannulus.Iti$alsofoundthatapositiveandanegativeangularmomentumHuxregionsexistaroundthevalveseat.Thenegativeangularmomentumfluxwh

5、ichplaysareductiveroletotheintakeswirlismainlyproducedbytheradialairflowvelocityaroundthevalveseatannulus.Thereisamainairoutflowregionaroundthevalveseatannulus.Theairflowresistanceoftheportisdeterminedbyflowvelocityandflowcoefficientaroundtheintakevalve.Accordingtoaboverecognitions,thedesignofhelica

6、lportfor6II0Adieselenginehasbeenimprovedandgoodresultshavebeenobtained.【摘要】本文应用热线风达仪测定了螺碇进气道气门出口处的气流£1度，从几种不同型及七道的试验与分析中得担，气门出口处初向气流速度产生的绕气纸轴线,的动量矩流率约占气k内总动量矩流率的60%以上，这说明气&内的涡流主委是由气门口切向速度产生的.螺旋进气道气门口周边上存在着正动量矩流率区与员幼量矩流率区，员动量矩流率主卖由气门出。处气流的径向速度产生，它时进气涡流起削弱作用。进气门口周边存在主妥出气区，七道的阻力由流通速度和流通系数共同决定。

7、根据这些认识，作6I10A柴油机的螺废进气道进行改进设计，取得了枝好的结果。关词，流速分布，门度，意,!,荣舷机KeywordssFlowVelocityDistribntioii,ValveSeattHelicalPort,DieselEngine一、试验装置与方法进代道模型试验是在稳流气道试验台上进行的，以定流量计压差法模拟柴油机的进气过程，来测量模型气缸内的涡流和气道阻力。采用DISASSm01等温热线风速仪按图I所示的测点布暨和图2所示的探针放置方式测量气门口周边上的三维气流速度。测点。处的切向速度径向速度旧及轴向速度。8按下式计算叫&LCKJ2+（虾/4+&。）*,=

8、KlQ+约寸Ujr=<W-KD其中，®1测值分布及劫最炬流率计算示甘图®1测值分布及劫最炬流率计算示甘图K2热歼的旅置方氏酩=日汗UO如傍）K=2（B）印嚣（ir/4）一US（0）-U?fr（矽2）Kl-YtrC%f（o）一pU京（tt/2）3rc（O）,UmGr/4）和t/mGr/2）分别是热线探针转角。为0,时4和n/2时测得的有效冷却速度，在稳流试验中，偏角因子化三0.180.20血.气门口出流气体的切向速度，轴向速度及径向速度的方向由带屏套的热线探针及关系式K*=U,U.来确定。紊流速度5=（心+祁刀），5和虬.m分别为探针在和?时有效冷却速度的脉动分臣。符号

9、。代表时均值.二、理想螺旋进气道应具有的特征目前常用的气道模型试验方法带有一定的经验性与尝试性。因此，不断地探索不同型式的螺施气道中气体流动特性的差异，对于指导螺旋进气道设计与改进具有很大意义。本文对螺旋进气道研究中经常遇到的三种类型，即，高阻力、低涡流（气道D,低阻力、中等强度涡流（气道2）,阻力和涡流强度都较为理想的进气道（气道3，在稳流气道试验台上用热线风速仪测量了它们气门口处的三维气流速度（见图3）.测量中保持气道阻力压差为3.333kPa,气门升程为12mm,图1给出了测点位置的分布.为了分析气门出口周边上的气流速度对气缸内涡流强度的影响，应用动量矩流率概念，按下述公式计算气门口处气

10、流对气翻轴线的动量矩流率，Af*=±G匕?ain但（N.m）2其中*必；为进气道气门口出流7体以质量流量Q流经测点i的领域时对气向：轴线的总动量矩流率，为气缸直径，场角的定义见图1,匕为气门口周边上测点/处的气流速度在垂直于气缸轴线的水平面内的分髭.为了进一步分析有.气门口周边任一点出流气流的切向速度对气缸轴线产生的动量矩流率，心=±气门口周边任一点出流气流的径向速度对气翅轴线产生的动量矩流率，士GcUri-Lri其中£,和上分别为气血中心Oc到Uti和L的距离，当动最炬的方向与气缸内涡流的方向一致时，M”M和取正值，否则取负值.从表1可见,，占进气道气门口出流空

11、气对气卸:轴线总动量矩流率的60%以上,这说明绕气缸轴线旋转的涡流主要是由气门口处气流的切向速度分信产生的，这也是螺旋进气道本身的特点。代门口出流气流的切向速度对气缸轴线产生的负动成矩流率区小，劫量矩流率损失就小。因此在螺旋进气道的设计和改进时，要注意提高的值,充分发挥螺旋气道的特点。进气门口周边存在正动；S矩流率和负动量矩流率区）对于气fit轴线的负动量矩流率主要由气门口出流气流的径向速度产生（见表1和表2）。由于负动量矩流率对进气涡流起削弱作用，因此如果能减小负动量矩流率，则可提高进气涡流强度。气道3涡流强度增加较大的原因之一表1切向速度产生的幼矩淹率xlO-'N.m点号气道号、1

12、I2345673Af,“总动*流率11.382441.421.030.27-0.06-0.030.226.6769.622.653.00.670.450.46-0.01-0.020.647.8880.333364.21|0.330,740.30-0.06-0.030.7610.0168.5.是其气门口出流气流的径向速度对气缸轴线产生的正动量矩流率较大，特别是在关键的1、7、8测点上的的增加较大，抵消了负动避:矩流率损失，因此提高气门口关键部位的对于提高进气涡流也有帮助.表3给出了进气门口周边各点总动量矩流率的分布状况，沿气门.裹2径向速度产生的动fit矩流率M,xION.m点号气道号、1234

13、I5678思动旦矩流率勺如为13.001.05-0.64-1.47-1.37-0.6.30.S52.422.9130.423.581.08-1.04-0.02-1.69-0.350.262.241.9319.734.040.95-1.04-1.88-1.09-0.220.743.114.6131.5W3进气门口周边备威总动域矩流率Al,x10-2N.m测点与2345678施和14.383.490.78-0.44-1.10-0.690.522.649.5826.234.11-0.37-1.70-1.23-0.360.242.889.8137.805.17-0.71-1.14-0.79-0.280

14、.713.8714.62周边各点的分布很不均匀，总动髭矩流率绝大部分是在81一2测点区域内产生的，,道2、3涡流强度的提高正是在此关键区域内的泌增加所致.气道设计时除了注意形成涡流之外，还应尽可能增大充气能力.通过进气门开启截面上的质量流蜃为，G=CfJ)p*Vn*dAv(kg/s)其中G和匕分别是气门开启裁面上的流通系数和流通速度。表4给出三个气道进气门口处周边8个测点上的实测流通速度匕，流量G和流通系数Gr。其中气道1在各测点上的。虽较大，但流通系数较小，充气流量也较小；气道3在各测点上的匕较小，但其流通系数比气道1大，故实际流量还是比气道1大j气道2各测点处的匕和流通系数均较适中，故有较

15、大的流量。由此可见，进气道的流通性能取决于流通速度与流通系数。这两者共同决定进气道的阻力。由于阻力损失的大小与气流速度的平方成正比，因此为了获得一定的流景而依赖于较大的流出速度必然会产生较大流动阻力，气道1便是这种状况。从气门处气流速度分布(见图4)来分析，戏4堆气n口周边冬点匕«/河点号气道号|,25678实测流量kg/«流通系数1125.47117.22108.49101.3399.0299.3782.93110.366.92X10-10.543283.5991,80S0.4276.1646.6243.9776.617.66X10-'0.62899.2170.5

16、082.1769.6049.8331.7161.7481.597.59X1。-*0.582（1）当UJU,=1时，气体的流出角伊为45°,气流能平滑地从气门开启截面流出，此为理想情况3（2）当UJU1时，伊>46。，气阀的屏蔽作用增大，此时气道阻力也大，如气道b（3）当UJU,<1时，伊V4S,气阀的屏蔽作用减小，此时气道阻力相对较小，如气道2,3>（4）在樱个气门口周边上，如UJU,n常数C,且C<1,则气道的阻力较小，气道2近似这种状况。表6给出了实测的进气门口周边各测点的素流速度.阻力大的气道，气门口处的紊流速度也大，这说明阻力大的气道内气体不能从其气门

17、口平滑地流出。详细分析表4和表5可见，进代道气门口处的主要出气区在4一321一8测点之间，而气道1正是在这部位有较大的素流速度，从而使其阻力增大。衰5进*01口周边善点的亲理速度点号12345878流量系数11.751.65|22.8823.3656.3556.8541.3415.9!0.5432)1.31j1.642.4119.0343.9149.7539.131.160.62831.091.585.5324.2058.7459.1725.105.060.582三，6110A柴油机端旋进气道性能改进螺旋进气道可分成，直管道，涡流室入口部位，涡流室头部，涡流室出口及汽门口等四个部分。只肓合理地

18、确定各部分的形状，并使它们良好地衔接和过渡，才能获得性能良好的进气道。图5是将原螺旋进气道直管道顶边改成俯冲形状后气道性能得到改进的状况。通常，螺旋气道能在中、小气门升程时产生较高的涡流，而直气道能在大气门升程时产生较高的涡流.从图5中的曲线可见，气道直管道顶边改成俯冲形状后，涡流强度主要在大气门升程时得到加强。这表明此种改进将宜气道特性引入了螺旋气道，符合目前高涡流比进气道掌将切向气道与螺旋代道的特性相结合的发展趋势。图6是将涡流室入口部位改成倾斜凸起的形状，使气流在进入涡流室之前逐渐偏转，以适应气道头部的螺旋形状。这可使涡流强度提高。从表6和表7可见，使气流在宜管内预先偏转后进入涡流室能使

19、测点1一8（参见图I）区域上出流气流的切向速度和径向速度产生的绕气如轴线的动量矩流率增加，致使气道的涡流强度增大。由于这种做法事实上减小了气道的最小截面积，因此气道阻力有所增加。螺旋气道的涡流室是其性能的敏感区.笫三种改进方式是不再将气道头部作成完整的圆形，而是使涡流室内的转弯处具有一定程度的圆角。表1一表3中的气道3是这种气道的测量结果，其特点是在主要的动量矩流率产生区：21一87（参见图1）内有较大的动最矩流率.«6切向速度产生的册量姐就此“XlO-*N.m汶点号气道12345678总mt2.962.731.140.130.45-0.01-0.030.998.3622.653.CM0.670.450.46-0.01-0.020.647.88«7径向速度产生的动矩流率M,xION.m浏点号气道与121345678总和14.380.G9-0.40-1.10-1.15-0.790.533.2。5.3623.581.08-1.04-0.02-1.69-0.350.262.241.93第”卷1990年笫4期内燧机工程29图5气道形状改进前（虚经）、后（实戏）的气道将性曲线CF流酒系数（下标带m者为平均值）厄一里卡多涡流比NR无因次凋流H心气门升程与气门直&之比图6改进前（更统）,后（实线）的代道形状和特性曲线，图内多量含寰