内燃机气道流动特性的测量技术与评价

内燃机气道流动特性的测量技术与评价

燃烧过程对dg在汽动器中，气、气体的速度分布、气流（或轴流）和水流对燃烧过程有显著影响，并对燃料的经济、动力性、排放指数、燃烧噪声和延迟的稳定性有重要影响。中小型高速直喷式柴油机常利用螺旋进气道来产生适当的进气涡流,而在汽油机中则利用进气道与燃烧室的配合来产生适当的滚流,以促进燃料与空气的混合,从而改善燃烧。1气流试验的方法进气道流动特性一般指流通能力和产生涡流(或滚流)的能力。目前,评价气道流通特性的方法大部分仍采用在稳流试验台上测得的流量系数和涡流比。在稳流试验台上测量进气道涡流的方法有叶片风速仪法和涡流动量矩法,测量气道流通能力一般用标准流量计测量。为了便于对不同形状和尺寸的气道流动性能进行比较,用无量纲流量系数评价不同气门升程下气道的流通能力,用无量纲涡流比来评价不同气门升程下气道形成缸内涡流的能力,用加权平均流量系数和加权平均涡流比来评价气道总的流通能力和涡流能力。世界上几家著名的内燃机咨询公司(如Ricardo,AVL,FEV等)分别定义了各自的评价参数。1.1气体流量及转速为了定义涡流比和流量系数,Ricardo作了如下假定:a.在内燃机气道试验台中的气体流动为稳态、不可压缩、可逆绝热流动;b.在内燃机运行条件下和气道稳流试验台中,气道具有相同的流动特性;c.在内燃机气缸中存在刚性涡流区;d.在进气过程中,气道内外的压差Δp将保持恒定;e.忽略气体的表面摩擦;f.容积效率为100%;g.在气门打开后关闭前均有气体流动发生,因此气体流量与气门升程及配气相位有关。设气门座圈内截面面积为A,则:A=π4⋅D2⋅i(1)式中:D为气门座内径;i为每缸进气门数。流量系数Cf为:Cf=QρAV0(2)式中:Q为气体质量流量;V0为气门出口处气流速度,可根据Bernoulis方程求得。V0=√2⋅Δpρm这里,Δp是气道的压力降;ρm为气道出口和进口之间空气的平均密度。平均流量系数Cfm为:Cfm=∫α2α1Cfdαα2-α1式中:α1,α2分别为气门开启和关闭时的曲轴转角(弧度)。设气缸直径为B,气缸内空气密度为ρ,发动机行程为S。根据气体的角速度ωD,可定义无因次涡流NR为:ΝR=BωDV0,涡流动量计测得的动量矩M,则由动量矩守恒定律得:M=IωD,气缸内气体的转动惯量为:Ι=QB28,所以无因次动量矩流率NR:ΝR=8ΜQBV0Ricardo定义涡流比Rs为进气终了气体的角速度ωc与假想发动机转速ωe(假定活塞平均速度Cm与模拟气缸内空气的轴向气流速度ua相等时所对应的发动机转速)之比。Rs=ωcωe=Ld∫α2α1CfΝRdα[∫α2α1Cfdα]2式中:Ld为发动机形状因子,Ld=BSiD2。1.2涡流比的定义奥地利AVL研究所采用与Ricardo类似的方法,即采用Ricardo方法中的a~f条假设,但对Ricardo方法中的第g条假设,AVL方法假定为进气只发生在上止点与下止点间,并采用一标准的气门升程表来计算平均流量系数和平均涡流比。由于采用标准气门升程并且在上下止点间进行积分,所以,所得平均涡流比和平均流量系数与实际配气相位及气门升程无关。各气门升程下的涡流比Ω定义为:Ω=nDn式中:nD为叶片风速仪测得的转速,相应的角速度为ωD;n为假想发动机的转速,相应的角速度为ω,即假定活塞平均速度Cm与模拟气缸内空气的轴向气流速度ua相等时所对应的发动机转速。Cm=Sn30=ua=Qπ4B2ρ从而可得:Ω=ρVhnD30Q平均涡流比为:(Rs)AVL=(nDn)m=1π∫π0nDn(CCm)2dα式中:C,Cm分别为活塞瞬时速度和平均速度,Vh为发动机单缸排量。AVL方法中仍使用(2)式来定义各气门升程下的流量系数,但用气门座密封带的最小内径来代替该式中的气门座圈内径,平均流量系数为:(Cfm)AVL=1√1π∫π0(CCm)31C2fdα为了将涡流动量计的测量结果与叶片风速仪的测量结果进行比较,假定模拟气缸内气体作刚性旋转运动,角速度为ωD,则:Μ=ΙωD=mr2ωD=∫R0(2πrdr⋅ua⋅ρ)r2ωD=2πρuaωD∫R0r3dr=2πρQπ4ρB214(B2)4ωD所以:Μ=QB2ωD8Ω=ρVh30Q30ωDπ=ρVhπQ8ΜQB2=8ΜρVhπQ2B2(3)速度比:utua=RωDnS30=RΩωnS30=RΩ2πn60nS30=πB2SΩ(4)1.3流量系数假定进气过程为可压缩绝热过程,采用αk(流过气门座节流处有效流通截面积与活塞顶面面积之比)和utua(叶片旋转中心的切向速度与气缸中心轴向速度之比)来评价气道的流通能力和涡流强度。各气门升程下的流量系数αk为:αk=AsAk式中:As为气门座处的有效流通截面积;Ak为活塞顶面面积。As=QρV0各气门升程下的涡流比utua为:utua=2πnD/60⋅RFLQ/(ρAk)=πnDRFLρAk30Q=π30QΩρVhRFLρAk30Q=πRFLSΩ式中:RFL为叶片旋转中心半径,RFL=0.73B/2FEV采用发动机在90%最大气门升程时所对应的αk和utua作为气道的平均流通系数和平均涡流强度,以此来评价进气道的流通能力和涡流强度。1.4回复突变曲线美国西南研究院利用自己的一套方法对气道性能进行评价。假定气体流经气道为可逆绝热流动,则:pVk=constant式中:V为气体容积;k为绝热指数。对理想气体状态方程式进行微分得:dpdV=-kpV(5)将对容积微分换成对曲轴转角φ微分得:dpdφ=dpdVdVdφ=-kpVdVdφ(6)而容积的变化又有活塞运动和气门运动引起的容积变化。dVdφ=dVdφ︱piston+dVdφ︱valve(7)活塞运动引起的气缸容积变化为:dVdφ|piston=12Vhsinφ(1+cosφ√λ2-sin2φ)(8)式中:Vh为气缸排量;λ为连杆与曲柄长度的比。dVdφ︱valve=-7.5iV0’D2Cfn(p2p0)1k(9)式中:p2为气缸压力;p0为上游滞止压力;V0’为可逆绝热流体流经气门座时的速度,可根据滞止压力p0和滞止温度T0求得。V0’=2kk-1RΤ0(1-(p2p0)k-1k)(10)根据式(5)~(10)可得:dpdφ=kpV(12Vhsinφ(1+cosφRc2-sin2φ)-7.5iV0’D2Cfn(p2p0)1k)根据上止点与下止点间的压差积分来计算气体流经气道的平均压力损失p¯loss。p¯lossVh=∫ΤDCBDC(p0-p2)dV︱pistonp¯loss=p0Vh∫0π(1-p2p0)dVdφ︱pistondφ涡流比的原始定义为进气终了的涡流转速与发动机转速之比,西南研究院按下式从上止点开始到进气门关闭间进行积分来计算进气终了时的涡流转速ωD。ωD=1Ιfinal∫ΤDCΙVC(Ιω)dtIω=QNRV0’BIfinal=∫ΤDCΙVCQB2dt(Rs)SwRΙ=ωDω=∫ΤDCΙVC(QΝRV0’B)dtω∫ΤDCΙVCQB2dt在中国,Ricardo方法、AVL方法和FEV方法的用得较多,所以本文重点对这3种方法进行分析比较。1.5平均涡流比由于定义涡流比和流量系数的方法不一样,所以,对同一气道用同一测量方法所得测量数据会有不同的涡流比数和流量系数值。图1为同一组测量数据,分别利用Ricardo,AVL,FEV3种不同的定义方法求得的平均涡流比,从图中可看出,AVL涡流比比Ricardo涡流比约大20%,FEV涡流比比Ricardo涡流比约大5%。图2为同一组测量数据分别利用Ricardo,AVL,FEV3种不同的定义方法求得的平均流量系数,从图中可看出,AVL流量系数比Ricardo流量系数约大18%,FEV流量系数约为Ricardo流量系数的25%。2气动“涡流”测量一般采用标准流量计来测量气道的流量,而测量气道产生涡流能力的方法除在稳流试验台上测量涡流比外,还有其它一些方法,如采用液力稳流模拟并结合粒子示踪激光测速(PTV)测出缸内各平面上粒子的速度矢量,然后积分得出涡旋的角动量矩,用LDA实测发动机缸内各点速度并积分出角动量矩,也有热线风速仪测出进气门出口处速度的分布求出旋涡的角动量矩。这些方法的优点是比较接近客观实际,其缺点是技术要求高,实验费用高。目前,仍采用叶片风速仪法和涡流动量计法来测量气道的涡流强度,如图3所示。在叶片风速仪法中采用2片或4片叶片来测量气缸内的涡流,叶片的尺寸采用与气缸直径之比的无量刚化参数来确定。叶片放置在气缸中的位置不同所测量的涡流数值也不同,大量试验表明,叶片(或动量计)距缸盖底面的距离h大于1.5B以后,气缸内的气体流动可以近似为一刚性涡流。图4为在一台B×S=85.7mm×82.6mm的发动机中,在距缸盖距离为1.5B时,在固定气门升程而不同的气体流量条件下测得的气体切向速度与径向距离的关系,从图中可以看出:气体的切向速度与其径向距离基本成线性关系,这说明此处气体的流动近似为一刚性涡流。图5为对一台B×S=127mm×140mm,在气门升程为11.4mm,气体流量为32l/s条件下将叶片放置在不同的相对位置h/B时测量所得的涡流转速,从图中可看出,当叶片位置放置在大于1.25B时,气流的涡流转速保持不变。在实际测量中,将叶片(或动量计)放置在距缸盖底面1.75B处。涡流动量计法是利用蜂窝片来感受气体的涡流,如图3所示,它的工作原理是:气流经过蜂窝片构成的小尺寸直孔后,成为与气缸轴线平行的气流。根据动量矩守恒定律,气体单位时间内动量矩的改变等于作用在流体上的外力矩。设空气进入蜂窝片前的动量矩为I1,气流流出蜂窝片的动量矩为I2,则蜂窝片的力矩为M=I1-I2,因为气流流经蜂窝片后,只有沿着轴线的气流速度,所以,I2=0,M=I1,表示蜂窝片的力矩读数等于气缸内气流的动量矩流率。在假定气缸内的流动是刚性涡流的条件下,可以利用式(3)和式(4)对叶片风速仪法与涡流动量计法测量所得的结果进行转换。图6为在B×S=87mm×92.4mm的发动机中,利用叶片风速仪和涡流动量计测量所得结果的比较。由于叶片风速仪的叶片只能感受到靠近气缸壁处的涡流,不能感受到气缸中心处的涡流,所以,它所测的涡流数值较小,尤其是在无因次涡流较大的大升程时,两者差别更大。从图6可看出:在无因次涡流NR小于0.45(气门升程小于4mm)时,两者差别较小;而在无因次涡流NR大于0.45(气门升程大于4mm)时两者差别逐渐变大,直至无因次涡流达到0.8时两者差别趋于稳定,达到38%。由于AVL涡流比常用叶片风速仪来测量,而Ricardo涡流比常用涡流动量计来测量,由此可知:当气道的涡流比较大时,如满足欧I或欧II排放标准的气道,两者结果差别较大;而当气道的涡流比较小时,如满足欧III或欧IV排放标准的气道,两者结果差别较小。图7为一批满足欧II排放的缸盖气道,利用叶片风速仪测得的AVL平均涡流比和利用涡流动量计测得的Ricardo平均涡流比的比较,由于对同一气道涡流动量计所测结果比叶片风速仪所测结果大,而对相同的测量结果AVL定义的涡流比又比Ricardo定义的涡流比大,两者综合结果使得此气道Ricardo涡流比仍比AVL涡流比大20%。3气流动力学特性对同一气道的涡流比有不同的测量方法(叶片风速仪法和涡流动量计法),同时对同一测量结果中涡流比和流量系数又有不同的定义方法(Ricardo方法、AVL方法、FEV方法等)。对不同的气道其涡流比和流量系数各不相同,如何来评价其性能的优劣呢?根据Ricardo,AVL涡流比和流量系数的定义方法的不同,其评价气道性能的方法也有所不同。当用涡流动量计来测量涡流强度时,常用Ricardo方法来评价气道性能。在Ricardo方法中,气道流动特性指标与发动机结构参数(缸径B、行程S)、配气相位和气门升程曲线有关,为了消除这些气道以外因素对气道流动特性评价的影响,采用在L/D=0.3时,平均流量系数Cfm与无因次涡流比Rs/Ld的折中关系来评价气道本身的性能,如图8所示。当用叶片风速仪来测量涡流强度时,常用AVL方法来评价气道性能。在AVL方法中,气道的涡流比与配气相位和气门升程曲线无关,但与发动机行程有关,这意味着同一个缸盖装在行程不同的发动机中,其气道的涡流比会不同。同样,为了消除这种气道以外因素对气道性能评价的影响,采用平均流量系数(Cfm)AVL与无因次涡流比(Rs)AVL×B/S的折中关系来评价气道本身的性能,如图9所示。根据气道的测量方法不同,将每个气道的流动特性参数标在图8或图9上,图中实线表示平均水平的气道,在实线以上的点表明气道的综合性能指标在平均水平以上,属于设计较完善的气道,对这样的气道,若要在涡流比不变的条件下提高气道的流量系数是很困难的。在实线以下的气道表明其综合性能在平均水平以下,属于设计不太完善的气道,存在改进的余地,对气道形状进行合理的改进,可以在涡流比不变的条件下,提高其流量系数。当前,我国发动机排放标准不断提高。为了满足不断提高的排放要求,发动机燃油系统的供油压力越来越高,这就要求降低发动机气道的涡流比。根据图7或图8就可以清楚地知道,当气道涡流比降低时,其流量系数应该提高到多大的值,才算设计合理的气道。4涡流特性测定结果a.对气道性能的评价方法进行了分析对比,结果表明:AVL涡流比比Ricardo涡流比约大20%,FEV涡流比比Ricardo涡流比约大5%;AVL流量系数比Ricardo流量系数约大18%,FEV流量系数