内燃机气道稳流试验评价方法

1、1内燃机气道稳流试验评价方法的比较-气道技术-23油油气气混合气混合气燃燃 烧烧燃燃 烧烧动力性动力性动力性动力性经济性经济性经济性经济性排放特性排放特性排放特性排放特性能能源源能能源源环环境境环环境境油油气气混合气混合气31.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，4567直喷柴油机及其螺旋进气道83. 偏心4. 倾斜2 2. 倾斜11. 标准气道 螺旋部分通道, 入口端93. 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L

2、DA, LDV；单点测量，速度、湍流强度激光粒子图像法，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11123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试验台面滚流测量图5 气道稳流

3、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 CF 在不同气门升程下气流通过进气道的能力CF=Q/(nAV0)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； V0 速度头, P 进气道前后压差。PV2014无量纲涡流强度 NR不同气门升程下的涡流强度;NR=RB/ V0R 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22121dCdNCLRFRFDS2DnSBLD,21121dCCFFm15定义1：涡流比和滚流

4、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Z17Ricardo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、 NR）。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

5、，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和Cu/Ca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20FEV 分别用 K 和Cu/Ca 来评价进气道通过气流的能力和涡流强

6、度。 K=AS/AK, 式中: AS -进气道的有效面积AS=Q/V0, V0速度头 AK 气缸的横截面积 ， AK=B2/4. 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=2NSRFL式中: NS 叶片转速 r/s, RFL -叶片转动中心的半径 RFL0.73B/2 Ca = Q/AK 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: AVL（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

7、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气道的设计与开发气道的设计与开发-实验装置实验装置31357稳压箱稳压箱TanknDp1 pm.m.1.75D1.75 DDTankp2PTa aa24流量系数31360()m = =m.mth.11d c ( )cm()31()20 25气门座内径的定

8、义60874 = z(dv/D)2627涡流比，平均涡流比，叶片风速仪31361 FKnDn=30m：()20c ( )cm=1nDnmnDn()d . 28稳流试验结果60871(nD/n)red294-气门, AVL 螺旋气道60747（涡流动量计）（涡流动量计）涡流动量计涡流动量计 / 叶片风速仪叶片风速仪 = 1.87统计回归线统计回归线气道结果气道结果叶片风速仪叶片风速仪304-气门, AVL 切向气道60748（涡流动量计）（涡流动量计） 涡流动量计涡流动量计 / 叶片风速仪叶片风速仪 = 1.75统计回归线统计回归线气道结果气道结果叶片风速仪叶片风速仪31Ricardo方法对比涡

9、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涡流动量计/ 叶片风速仪叶片风速仪 = 1.43Ricardo32稳流试验结果排气道性能：()m=0.426撞击（Bump）-引起气流分离3324681012140.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.55Ricardo Cf, Nrhv mm Cf Nr3424681012140.00.51.01.52.02.53.03.5FEV CUCAhv mm CUCA 还有其

10、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。3536Ricardo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、 NR）。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

11、程。37IO 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bar38maxpp39 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

12、实际情况的差别如何呢？41 仅就进气过程汽缸内的压力变化与否而言，AVL评价方法的假设是更加符合实际的，并且反映在AVL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)(mcc420204060801001201401601802002200.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0(c(alfa)/cm)*2进 气 过 程 CA F2)(mcc进气过程 CA43 显然，不同假设条件将得出不同的预测结果来。AVL（Thien, Omori, Skle）等评价方法的假

13、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（AVL等），将

14、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变压差方法的提出变压差方法的提出内燃机运行时气道内气体为充分发展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；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确立充分发展的湍流流动的实验条件；件；免去对其压力差的调控免去对其压力差的调控4702468101214010203040506070非充分 发展 湍流 NRe60,000气 门 座圈内 径 ，mm 速 度 头 或 气道 压 降 ， kPa 充分发展湍流时气门座内径与气道压降的关系充分发展湍流时气

15、门座内径与气道压降的关系48定压差（定压差（3500 Pa）与变压差试验结果的比较与变压差试验结果的比较494结论：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。501. 引言引言稳流试验台 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. 试验结果及分析试验结果及分析标准进气道性能;带有倾

16、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对一组气缸盖进气道的检测结果5. 结论结论51入口端左右斜率 1:50出口端 定位孔气道入口端出口端12345678图2. 倾斜进气道52123456789101112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.453ab图5. 缸盖气道位置尺寸示意图541. 引言引言稳流试验台 评价进气道的方法2. 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. 实验结果和分析实验结果和分析标准进气道性能;带有倾

17、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对一组气缸盖进气道的检测结果5. 结论结论55图6 标准气道性能曲线0.00.20.40.60.8 large small CF246810120.00.20.40.6 NrValve Lift(mm)大气门小气门气门升程 （mm）0.000.020.040.060.080.10 large small k246810120.51.01.52.0Cu/CaValve Lift(mm)大气门小气门气门升程 （mm）56表 1 标准进气道的流动性能评价方法RicardoFEV参数