螺旋進(jìn)氣道氣門口處流速分布的研究.docx

1、考文獻(xiàn)1JT.J.WiUims.直按噴射式柴油機(jī)淞燒室內(nèi)氣流的計(jì)算與測(cè)量.】3thCIMAC1979.D24呂卡室珍流試臉臺(tái)試睛結(jié)果分析與精度.國(guó)外為的機(jī)，1978,No.52 G.1'ippelixiann.AnewmethodofInvestigationofswirlports,SAEpaper770404毒餡明等.在說(shuō)流試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)內(nèi)魅機(jī)旋流進(jìn)氣過(guò)程的研究,西安交通大學(xué).1980.93 D.R.Lancaster.EffectofEngineVariblesonTurblenteinaSparkIgnitionEngine.SAEpaper76015961田X2證一成ZW特性IC

2、OOT.日本橫餓學(xué)會(huì)濡文集，1977.No.6A«E.Cataniaetc.ASMEMeetingonFlowinICE,1982.P33(8 M.J.Tindaletc.ASMEMeetingonFlowinICE,1982.PIO螺旋進(jìn)氣道氣門口處流速分布的研究李駿(附近照)錢疆義吉林工業(yè)大學(xué))陸季寬長(zhǎng)春汽車研究所)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】本文應(yīng)用熱線風(fēng)達(dá)儀測(cè)定了螺碇進(jìn)氣道氣門出口處的氣流£1度，從幾種不同型及七道的試驗(yàn)與分析中得擔(dān)，氣門出口處初向氣流速度產(chǎn)生的繞氣紙軸線,的動(dòng)量矩流率約占?xì)鈑內(nèi)總動(dòng)量矩流率的60%以上，這說(shuō)明氣&內(nèi)的渦流主委是由氣門口切向速度產(chǎn)生的.螺旋進(jìn)氣道氣門口周邊上存在著正動(dòng)量矩流率區(qū)與員幼量矩流率區(qū)，員動(dòng)量矩流率主賣由氣門出。處氣流的徑向速度產(chǎn)生，它時(shí)進(jìn)氣渦流起削弱作用。進(jìn)氣門口周邊存在主妥出氣區(qū)，七道的阻力由流通速度和流通系數(shù)共同決定。

7、根據(jù)這些認(rèn)識(shí)，作6I10A柴油機(jī)的螺廢進(jìn)氣道進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，取得了枝好的結(jié)果。關(guān)詞，流速分布，門度，意,!,榮舷機(jī)KeywordssFlowVelocityDistribntioii,ValveSeattHelicalPort,DieselEngine一、試驗(yàn)裝置與方法進(jìn)代道模型試驗(yàn)是在穩(wěn)流氣道試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的，以定流量計(jì)壓差法模擬柴油機(jī)的進(jìn)氣過(guò)程，來(lái)測(cè)量模型氣缸內(nèi)的渦流和氣道阻力。采用DISASSm01等溫?zé)峋€風(fēng)速儀按圖I所示的測(cè)點(diǎn)布暨和圖2所示的探針?lè)胖梅绞綔y(cè)量氣門口周邊上的三維氣流速度。測(cè)點(diǎn)。處的切向速度徑向速度舊及軸向速度。8按下式計(jì)算叫&LCKJ2+（蝦/4+&。）*,=

8、KlQ+約寸Ujr=<W-KD其中，®1測(cè)值分布及劫最炬流率計(jì)算示甘圖®1測(cè)值分布及劫最炬流率計(jì)算示甘圖K2熱殲的旅置方氏酩=日汗UO如傍）K=2（B）印囂（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）分別是熱線探針轉(zhuǎn)角。為0,時(shí)4和n/2時(shí)測(cè)得的有效冷卻速度，在穩(wěn)流試驗(yàn)中，偏角因子化三0.180.20血.氣門口出流氣體的切向速度，軸向速度及徑向速度的方向由帶屏套的熱線探針及關(guān)系式K*=U,U.來(lái)確定。紊流速度5=（心+祁刀），5和虬.m分別為探針在和?時(shí)有效冷卻速度的脈動(dòng)分臣。符號(hào)

9、。代表時(shí)均值.二、理想螺旋進(jìn)氣道應(yīng)具有的特征目前常用的氣道模型試驗(yàn)方法帶有一定的經(jīng)驗(yàn)性與嘗試性。因此，不斷地探索不同型式的螺施氣道中氣體流動(dòng)特性的差異，對(duì)于指導(dǎo)螺旋進(jìn)氣道設(shè)計(jì)與改進(jìn)具有很大意義。本文對(duì)螺旋進(jìn)氣道研究中經(jīng)常遇到的三種類型，即，高阻力、低渦流（氣道D,低阻力、中等強(qiáng)度渦流（氣道2）,阻力和渦流強(qiáng)度都較為理想的進(jìn)氣道（氣道3，在穩(wěn)流氣道試驗(yàn)臺(tái)上用熱線風(fēng)速儀測(cè)量了它們氣門口處的三維氣流速度（見(jiàn)圖3）.測(cè)量中保持氣道阻力壓差為3.333kPa,氣門升程為12mm,圖1給出了測(cè)點(diǎn)位置的分布.為了分析氣門出口周邊上的氣流速度對(duì)氣缸內(nèi)渦流強(qiáng)度的影響，應(yīng)用動(dòng)量矩流率概念，按下述公式計(jì)算氣門口處氣

10、流對(duì)氣翻軸線的動(dòng)量矩流率，Af*=±G匕?ain但（N.m）2其中*必；為進(jìn)氣道氣門口出流7體以質(zhì)量流量Q流經(jīng)測(cè)點(diǎn)i的領(lǐng)域時(shí)對(duì)氣向：軸線的總動(dòng)量矩流率，為氣缸直徑，場(chǎng)角的定義見(jiàn)圖1,匕為氣門口周邊上測(cè)點(diǎn)/處的氣流速度在垂直于氣缸軸線的水平面內(nèi)的分髭.為了進(jìn)一步分析有.氣門口周邊任一點(diǎn)出流氣流的切向速度對(duì)氣缸軸線產(chǎn)生的動(dòng)量矩流率，心=±氣門口周邊任一點(diǎn)出流氣流的徑向速度對(duì)氣翅軸線產(chǎn)生的動(dòng)量矩流率，士GcUri-Lri其中£,和上分別為氣血中心Oc到Uti和L的距離，當(dāng)動(dòng)最炬的方向與氣缸內(nèi)渦流的方向一致時(shí)，M”M和取正值，否則取負(fù)值.從表1可見(jiàn),，占進(jìn)氣道氣門口出流空

11、氣對(duì)氣卸:軸線總動(dòng)量矩流率的60%以上,這說(shuō)明繞氣缸軸線旋轉(zhuǎn)的渦流主要是由氣門口處氣流的切向速度分信產(chǎn)生的，這也是螺旋進(jìn)氣道本身的特點(diǎn)。代門口出流氣流的切向速度對(duì)氣缸軸線產(chǎn)生的負(fù)動(dòng)成矩流率區(qū)小，劫量矩流率損失就小。因此在螺旋進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)和改進(jìn)時(shí)，要注意提高的值,充分發(fā)揮螺旋氣道的特點(diǎn)。進(jìn)氣門口周邊存在正動(dòng)；S矩流率和負(fù)動(dòng)量矩流率區(qū)）對(duì)于氣fit軸線的負(fù)動(dòng)量矩流率主要由氣門口出流氣流的徑向速度產(chǎn)生（見(jiàn)表1和表2）。由于負(fù)動(dòng)量矩流率對(duì)進(jìn)氣渦流起削弱作用，因此如果能減小負(fù)動(dòng)量矩流率，則可提高進(jìn)氣渦流強(qiáng)度。氣道3渦流強(qiáng)度增加較大的原因之一表1切向速度產(chǎn)生的幼矩淹率xlO-'N.m點(diǎn)號(hào)氣道號(hào)、1

12、I2345673Af,“總動(dòng)*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.是其氣門口出流氣流的徑向速度對(duì)氣缸軸線產(chǎn)生的正動(dòng)量矩流率較大，特別是在關(guān)鍵的1、7、8測(cè)點(diǎn)上的的增加較大，抵消了負(fù)動(dòng)避:矩流率損失，因此提高氣門口關(guān)鍵部位的對(duì)于提高進(jìn)氣渦流也有幫助.表3給出了進(jìn)氣門口周邊各點(diǎn)總動(dòng)量矩流率的分布狀況，沿氣門.裹2徑向速度產(chǎn)生的動(dòng)fit矩流率M,xION.m點(diǎn)號(hào)氣道號(hào)、1234

13、I5678思動(dòng)旦矩流率勺如為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進(jìn)氣門口周邊備威總動(dòng)域矩流率Al,x10-2N.m測(cè)點(diǎn)與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周邊各點(diǎn)的分布很不均勻，總動(dòng)髭矩流率絕大部分是在81一2測(cè)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的，,道2、3渦流強(qiáng)度的提高正是在此關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)的泌增加所致.氣道設(shè)計(jì)時(shí)除了注意形成渦流之外，還應(yīng)盡可能增大充氣能力.通過(guò)進(jìn)氣門開(kāi)啟截面上的質(zhì)量流蜃為，G=CfJ)p*Vn*dAv(kg/s)其中G和匕分別是氣門開(kāi)啟裁面上的流通系數(shù)和流通速度。表4給出三個(gè)氣道進(jìn)氣門口處周邊8個(gè)測(cè)點(diǎn)上的實(shí)測(cè)流通速度匕，流量G和流通系數(shù)Gr。其中氣道1在各測(cè)點(diǎn)上的。雖較大，但流通系數(shù)較小，充氣流量也較??；氣道3在各測(cè)點(diǎn)上的匕較小，但其流通系數(shù)比氣道1大，故實(shí)際流量還是比氣道1大j氣道2各測(cè)點(diǎn)處的匕和流通系數(shù)均較適中，故有較

15、大的流量。由此可見(jiàn)，進(jìn)氣道的流通性能取決于流通速度與流通系數(shù)。這兩者共同決定進(jìn)氣道的阻力。由于阻力損失的大小與氣流速度的平方成正比，因此為了獲得一定的流景而依賴于較大的流出速度必然會(huì)產(chǎn)生較大流動(dòng)阻力，氣道1便是這種狀況。從氣門處氣流速度分布(見(jiàn)圖4)來(lái)分析，戲4堆氣n口周邊冬點(diǎn)匕«/河點(diǎn)號(hào)氣道號(hào)|,25678實(shí)測(cè)流量kg/«流通系數(shù)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）當(dāng)UJU,=1時(shí)，氣體的流出角伊為45°,氣流能平滑地從氣門開(kāi)啟截面流出，此為理想情況3（2）當(dāng)UJU1時(shí)，伊>46。，氣閥的屏蔽作用增大，此時(shí)氣道阻力也大，如氣道b（3）當(dāng)UJU,<1時(shí)，伊V4S,氣閥的屏蔽作用減小，此時(shí)氣道阻力相對(duì)較小，如氣道2,3>（4）在櫻個(gè)氣門口周邊上，如UJU,n常數(shù)C,且C<1,則氣道的阻力較小，氣道2近似這種狀況。表6給出了實(shí)測(cè)的進(jìn)氣門口周邊各測(cè)點(diǎn)的素流速度.阻力大的氣道，氣門口處的紊流速度也大，這說(shuō)明阻力大的氣道內(nèi)氣體不能從其氣門

17、口平滑地流出。詳細(xì)分析表4和表5可見(jiàn)，進(jìn)代道氣門口處的主要出氣區(qū)在4一321一8測(cè)點(diǎn)之間，而氣道1正是在這部位有較大的素流速度，從而使其阻力增大。衰5進(jìn)*01口周邊善點(diǎn)的親理速度點(diǎn)號(hào)12345878流量系數(shù)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柴油機(jī)端旋進(jìn)氣道性能改進(jìn)螺旋進(jìn)氣道可分成，直管道，渦流室入口部位，渦流室頭部，渦流室出口及汽門口等四個(gè)部分。只肓合理地

18、確定各部分的形狀，并使它們良好地銜接和過(guò)渡，才能獲得性能良好的進(jìn)氣道。圖5是將原螺旋進(jìn)氣道直管道頂邊改成俯沖形狀后氣道性能得到改進(jìn)的狀況。通常，螺旋氣道能在中、小氣門升程時(shí)產(chǎn)生較高的渦流，而直氣道能在大氣門升程時(shí)產(chǎn)生較高的渦流.從圖5中的曲線可見(jiàn)，氣道直管道頂邊改成俯沖形狀后，渦流強(qiáng)度主要在大氣門升程時(shí)得到加強(qiáng)。這表明此種改進(jìn)將宜氣道特性引入了螺旋氣道，符合目前高渦流比進(jìn)氣道掌將切向氣道與螺旋代道的特性相結(jié)合的發(fā)展趨勢(shì)。圖6是將渦流室入口部位改成傾斜凸起的形狀，使氣流在進(jìn)入渦流室之前逐漸偏轉(zhuǎn)，以適應(yīng)氣道頭部的螺旋形狀。這可使渦流強(qiáng)度提高。從表6和表7可見(jiàn)，使氣流在宜管內(nèi)預(yù)先偏轉(zhuǎn)后進(jìn)入渦流室能使

19、測(cè)點(diǎn)1一8（參見(jiàn)圖I）區(qū)域上出流氣流的切向速度和徑向速度產(chǎn)生的繞氣如軸線的動(dòng)量矩流率增加，致使氣道的渦流強(qiáng)度增大。由于這種做法事實(shí)上減小了氣道的最小截面積，因此氣道阻力有所增加。螺旋氣道的渦流室是其性能的敏感區(qū).笫三種改進(jìn)方式是不再將氣道頭部作成完整的圓形，而是使渦流室內(nèi)的轉(zhuǎn)彎處具有一定程度的圓角。表1一表3中的氣道3是這種氣道的測(cè)量結(jié)果，其特點(diǎn)是在主要的動(dòng)量矩流率產(chǎn)生區(qū)：21一87（參見(jiàn)圖1）內(nèi)有較大的動(dòng)最矩流率.«6切向速度產(chǎn)生的冊(cè)量姐就此“XlO-*N.m汶點(diǎn)號(hào)氣道12345678總mt2.962.731.140.130.45-0.01-0.030.998.3622.653.CM0.670.450.46-0.01-0.020.647.88«7徑向速度產(chǎn)生的動(dòng)矩流率M,xION.m瀏點(diǎn)號(hào)氣道與121345678總和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期內(nèi)燧機(jī)工程29圖5氣道形狀改進(jìn)前（虛經(jīng)）、后（實(shí)戲）的氣道將性曲線CF流酒系數(shù)（下標(biāo)帶m者為平均值）厄一里卡多渦流比NR無(wú)因次凋流H心氣門升程與氣門直&之比圖6改進(jìn)前（更統(tǒng)）,后（實(shí)線）的代道形狀和特性曲線，圖內(nèi)多量含寰