內(nèi)燃機(jī)氣道穩(wěn)流試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法

1、1內(nèi)燃機(jī)氣道穩(wěn)流試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法的比較-氣道技術(shù)-23油油氣氣混合氣混合氣燃燃 燒燒燃燃 燒燒動(dòng)力性動(dòng)力性動(dòng)力性動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)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環(huán)環(huán)境境環(huán)環(huán)境境油油氣氣混合氣混合氣31.內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的主要形式 直噴柴油機(jī)缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng) 渦流，立軸渦流，主要運(yùn)動(dòng) 擠流 湍流 汽油機(jī)缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng) 滾流，橫軸渦流； 渦流，4567直噴柴油機(jī)及其螺旋進(jìn)氣道83. 偏心4. 傾斜2 2. 傾斜11. 標(biāo)準(zhǔn)氣道 螺旋部分通道, 入口端93. 研究方法、技術(shù)1.缸內(nèi)流動(dòng)過程的微觀研究湍流速度場(chǎng)的變化過程熱線風(fēng)速儀CTA，單點(diǎn)測(cè)量，速度、湍流強(qiáng)度激光多普勒測(cè)速儀L

2、DA, LDV；單點(diǎn)測(cè)量，速度、湍流強(qiáng)度激光粒子圖像法，PIV，PTV；多點(diǎn)測(cè)量，二維速度場(chǎng)，流譜圖多位數(shù)值模擬技術(shù)CFD；二維速度場(chǎng)，流譜圖，湍動(dòng)能分布圖2.缸內(nèi)流動(dòng)宏觀測(cè)量穩(wěn)流試驗(yàn)技術(shù)，即氣道試驗(yàn)臺(tái)葉片風(fēng)速儀測(cè)量法渦流動(dòng)量計(jì)法3.宏觀流動(dòng)的評(píng)價(jià)方法Ricardo評(píng)價(jià)法，英國(guó)FEV評(píng)價(jià)法，德國(guó)AVL評(píng)價(jià)法，奧地利SwRI 評(píng)價(jià)法，美國(guó)西南研究院10評(píng)價(jià)方法：渦流和滾流強(qiáng)度及流量系數(shù)的測(cè)量測(cè)量氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)評(píng)價(jià)Ricardo評(píng)價(jià)法FEV評(píng)價(jià)法AVL評(píng)價(jià)法SwRI評(píng)價(jià)法11123風(fēng)機(jī)動(dòng)量計(jì)氣道壓差傳感器氣門升程傳感器扭矩傳感器數(shù) 據(jù) 采集計(jì)算機(jī)流量計(jì)氣缸蓋渦旋轉(zhuǎn)換器試驗(yàn)臺(tái)面滾流測(cè)量圖5 氣道穩(wěn)流

3、試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖13評(píng)價(jià)方法1：Ricardo 方法Ricardo 法用無量綱量流量系數(shù) CF 在不同氣門升程下氣流通過進(jìn)氣道的能力CF=Q/(nAV0)式中: Q -通過進(jìn)氣道的空氣量; A 進(jìn)氣閥座內(nèi)孔的面積； n -進(jìn)氣閥的數(shù)目； V0 速度頭, P 進(jìn)氣道前后壓差。PV2014無量綱渦流強(qiáng)度 NR不同氣門升程下的渦流強(qiáng)度;NR=RB/ V0R 是葉片轉(zhuǎn)速, R 是氣缸半徑;可以推導(dǎo)出來：式中: 1 和2 分別為氣門開啟和關(guān)閉時(shí)的曲軸角度; S 是活塞行程; D 是進(jìn)氣閥座內(nèi)徑.因而可以推導(dǎo)出來22121dCdNCLRFRFDS2DnSBLD,21121dCCFFm15定義1：渦流比和滾流

4、比Rs ,Rt（:在進(jìn)氣結(jié)束時(shí)缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)宏觀角速度與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的角速度之比）定義2：總的（流動(dòng)）受限系數(shù),Z在額定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，平均有效速度與吸入空氣的音速之比。（進(jìn)氣馬赫數(shù)）16平均流量系數(shù)音速平均進(jìn)氣速度Z17Ricardo推導(dǎo)的假設(shè)：1. 從氣道進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)以及在穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的氣體是不可壓縮和絕熱的。 (造成誤差2-3%)2. 無論是在發(fā)動(dòng)機(jī)中的瞬態(tài)工況或者是在穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)臺(tái)中的穩(wěn)態(tài)工況下，氣道都具有相同的特性參數(shù)（如CF、 NR）。3. 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)渦流為強(qiáng)迫渦流（如果采用的是片式風(fēng)速儀）。即剛體渦流4. 角動(dòng)量都被保留了下來，表面摩擦不影響渦流。5. 容積效率是100。6. 在進(jìn)氣過程中

5、，經(jīng)過氣道的壓降p是不變的。7. 流入氣缸的運(yùn)動(dòng)只出現(xiàn)在進(jìn)氣門開啟到關(guān)閉的區(qū)間，并從而流動(dòng)速度取決于氣門升程。18評(píng)價(jià)方法2-FEV評(píng)價(jià)方法大多數(shù)評(píng)價(jià)方法都以預(yù)測(cè)渦流比Rs, 滾流比Rt（進(jìn)氣終了氣缸中渦流的轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速之比）為目的。FEV評(píng)價(jià)方法則不然，它只評(píng)價(jià)穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)上氣道的特性參數(shù)。 FEV歷來用葉片風(fēng)速儀測(cè)量渦流和滾流，如圖2所示。 FEV方法假定進(jìn)氣過程為可壓縮絕熱過程，采用參數(shù)k和Cu/Ca來評(píng)價(jià)氣道的流通能力和渦流強(qiáng)度5。其中19用葉片風(fēng)速儀的方法測(cè)量渦流或滾流（FEV）a) 渦流測(cè)量b) 滾流測(cè)量20FEV 分別用 K 和Cu/Ca 來評(píng)價(jià)進(jìn)氣道通過氣流的能力和渦流強(qiáng)

6、度。 K=AS/AK, 式中: AS -進(jìn)氣道的有效面積AS=Q/V0, V0速度頭 AK 氣缸的橫截面積 ， AK=B2/4. 可以看出， K 是進(jìn)氣道的有效流通面積與氣缸面積的比值 評(píng)價(jià)方法2：FEV 法21 Cu/Ca 是氣缸中葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的切向速度與軸向速度的比值。 Cu=2NSRFL式中: NS 葉片轉(zhuǎn)速 r/s, RFL -葉片轉(zhuǎn)動(dòng)中心的半徑 RFL0.73B/2 Ca = Q/AK FEV 用90%最大進(jìn)氣門升程所對(duì)應(yīng)的 K 和 Cu/Ca 分別代表氣道的平均流量系數(shù)和平均渦流比22評(píng)價(jià)方法3: AVL（Omori, Thien 等方法）的假設(shè)：1. 氣道進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)以及在穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)臺(tái)上

7、的氣體是不可壓縮和絕熱的。(造成誤差2-3.5%)2. 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)渦流為強(qiáng)迫渦流，即剛體渦流3. 在穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)氣缸中的軸向速度處處都是平均值。4. 角動(dòng)量都被保留了下來，表面摩擦不影響渦流。5. 容積效率是100。6. 氣流進(jìn)入氣缸的速度等于活塞運(yùn)動(dòng)所造成汽缸體積的變化率。7. 由6可得，流入氣缸的運(yùn)動(dòng)只出現(xiàn)在進(jìn)氣行程的上止點(diǎn)與下止點(diǎn)之間23氣道的設(shè)計(jì)與開發(fā)氣道的設(shè)計(jì)與開發(fā)-實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置31357穩(wěn)壓箱穩(wěn)壓箱TanknDp1 pm.m.1.75D1.75 DDTankp2PTa aa24流量系數(shù)31360()m = =m.mth.11d c ( )cm()31()20 25氣門座內(nèi)徑的定

8、義60874 = z(dv/D)2627渦流比，平均渦流比，葉片風(fēng)速儀31361 FKnDn=30m：()20c ( )cm=1nDnmnDn()d . 28穩(wěn)流試驗(yàn)結(jié)果60871(nD/n)red294-氣門, AVL 螺旋氣道60747（渦流動(dòng)量計(jì)）（渦流動(dòng)量計(jì)）渦流動(dòng)量計(jì)渦流動(dòng)量計(jì) / 葉片風(fēng)速儀葉片風(fēng)速儀 = 1.87統(tǒng)計(jì)回歸線統(tǒng)計(jì)回歸線氣道結(jié)果氣道結(jié)果葉片風(fēng)速儀葉片風(fēng)速儀304-氣門, AVL 切向氣道60748（渦流動(dòng)量計(jì)）（渦流動(dòng)量計(jì)） 渦流動(dòng)量計(jì)渦流動(dòng)量計(jì) / 葉片風(fēng)速儀葉片風(fēng)速儀 = 1.75統(tǒng)計(jì)回歸線統(tǒng)計(jì)回歸線氣道結(jié)果氣道結(jié)果葉片風(fēng)速儀葉片風(fēng)速儀31Ricardo方法對(duì)比渦

9、流動(dòng)量計(jì)和葉片風(fēng)速儀結(jié)果：螺旋氣道切向氣道各種氣道所得渦流比值的：回歸分析線Swirl Ratio-Impulse Swirl Meter渦流比-渦流動(dòng)量計(jì)渦流比-葉片風(fēng)速儀渦流動(dòng)量計(jì)渦流動(dòng)量計(jì)/ 葉片風(fēng)速儀葉片風(fēng)速儀 = 1.43Ricardo32穩(wěn)流試驗(yàn)結(jié)果排氣道性能：()m=0.426撞擊（Bump）-引起氣流分離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 還有其

10、他形狀的。顯然，考慮不同氣門升程渦流強(qiáng)度變化對(duì)渦流比的 綜 合 影 響（積分），可量化氣道的性能參數(shù)。3536Ricardo推導(dǎo)的假設(shè)：1. 從氣道進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)以及在穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的氣體是不可壓縮和絕熱的。 (造成誤差2-3%)2. 無論是在發(fā)動(dòng)機(jī)中的瞬態(tài)工況或者是在穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)臺(tái)中的穩(wěn)態(tài)工況下，氣道都具有相同的特性參數(shù)（如CF、 NR）。3. 發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)渦流為強(qiáng)迫渦流（如果采用的是片式風(fēng)速儀）。即剛體渦流4. 角動(dòng)量都被保留了下來，表面摩擦不影響渦流。5. 容積效率是100。6. 在進(jìn)氣過程中，經(jīng)過氣道的壓降p是不變的。7. 流入氣缸的運(yùn)動(dòng)只出現(xiàn)在進(jìn)氣門開啟到關(guān)閉的區(qū)間，并從而流動(dòng)速度取決于氣門升

11、程。37IO TDC BDC IC 進(jìn)氣門開啟區(qū)間 圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣過程缸內(nèi)壓力-低壓示功圖p恒值bar38maxpp39 可以看出，進(jìn)氣過程汽缸內(nèi)的壓力是在變化的，即經(jīng)過氣道的壓降p(峰值0.4bar=40,000Pa)是變化的，其變化規(guī)律與活塞運(yùn)動(dòng)造成的汽缸容積的變化率頗為相似。40而Ricardo的假設(shè)條件中認(rèn)為：在進(jìn)氣過程中，經(jīng)過氣道的壓降p是不變的。流入氣缸的運(yùn)動(dòng)只出現(xiàn)在進(jìn)氣門開啟到關(guān)閉的區(qū)間，并從而流動(dòng)速度只取決于氣門升程。而與之對(duì)應(yīng)的，AVL法采用的假設(shè)條件為：流入氣缸的運(yùn)動(dòng)只出現(xiàn)在進(jìn)氣行程的上止點(diǎn)與下止點(diǎn)之間。氣流進(jìn)入氣缸的速度等于活塞運(yùn)動(dòng)所造成汽缸體積的變化率。這兩種假設(shè)與

12、實(shí)際情況的差別如何呢？41 僅就進(jìn)氣過程汽缸內(nèi)的壓力變化與否而言，AVL評(píng)價(jià)方法的假設(shè)是更加符合實(shí)際的，并且反映在AVL的預(yù)測(cè)公式里，如式（6）。其中在積分式里，它表示的就是與活塞運(yùn)動(dòng)速度造成汽缸容積的變化率有關(guān)的量。 積分的效果是對(duì)不同氣門升程下的渦流比值進(jìn)行加權(quán)平均。2)(mcc420204060801001201401601802002200.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0(c(alfa)/cm)*2進(jìn) 氣 過 程 CA F2)(mcc進(jìn)氣過程 CA43 顯然，不同假設(shè)條件將得出不同的預(yù)測(cè)結(jié)果來。AVL（Thien, Omori, Skle）等評(píng)價(jià)方法的假

13、設(shè)是更加符合實(shí)際的。但它限定了進(jìn)氣只能在上止點(diǎn)與下止點(diǎn)之間進(jìn)行，而這顯然亦與實(shí)際情況有悖。 44 而Ricardo法假定進(jìn)氣出現(xiàn)在進(jìn)氣門開啟(IO)到關(guān)閉(IC)的區(qū)間內(nèi)這一條卻更加符合實(shí)際。 美國(guó)西南研究院SwRI評(píng)價(jià)法取了折衷，它假定進(jìn)氣在上止點(diǎn)(TDC)開始直到進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)(IC)結(jié)束?？梢钥闯?，似乎還沒有一種評(píng)價(jià)法的假設(shè)條件是完美無缺的。-雖然考慮不同氣門升程渦流強(qiáng)度變化對(duì)渦流比的綜合影響（積分），可量化氣道的性能參數(shù)。45 然而畢竟發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣行程（TDC-BDC）是進(jìn)氣過程的主要階段，新鮮充量中的大部分是在這期間進(jìn)入氣缸的。能更如實(shí)反映這一階段缸內(nèi)壓力變化情況的假設(shè)（AVL等），將

14、能得到更加如實(shí)的結(jié)果來。因?yàn)檫M(jìn)氣門提前打開、滯后關(guān)閉期間進(jìn)入氣缸的空氣量較少，只起輔助作用。忽略它影響不大。46變壓差方法的提出變壓差方法的提出內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行時(shí)氣道內(nèi)氣體為充分發(fā)展內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行時(shí)氣道內(nèi)氣體為充分發(fā)展的湍流流動(dòng)，其無量綱量是不變的；的湍流流動(dòng)，其無量綱量是不變的；確立充分發(fā)展的湍流流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)條確立充分發(fā)展的湍流流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)條件；件；免去對(duì)其壓力差的調(diào)控免去對(duì)其壓力差的調(diào)控4702468101214010203040506070非充分 發(fā)展 湍流 NRe60,000氣 門 座圈內(nèi) 徑 ，mm 速 度 頭 或 氣道 壓 降 ， kPa 充分發(fā)展湍流時(shí)氣門座內(nèi)徑與氣道壓降的關(guān)系充分發(fā)展湍流時(shí)氣

15、門座內(nèi)徑與氣道壓降的關(guān)系48定壓差（定壓差（3500 Pa）與變壓差試驗(yàn)結(jié)果的比較與變壓差試驗(yàn)結(jié)果的比較494結(jié)論：結(jié)論：1. 不同評(píng)價(jià)方法有不同的特點(diǎn)，了解它們、利用好它們可以更全面地了解氣道的性能，便于縱向橫向?qū)Ρ?，豐富企業(yè)的數(shù)據(jù)庫(kù)。2. 假設(shè)條件與所得預(yù)測(cè)模型（表達(dá)式）密切相關(guān)。符合實(shí)際情況的假設(shè)，將能得出更加符合實(shí)際的結(jié)論來。 3.變壓差穩(wěn)流試驗(yàn)方法可降低勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高實(shí)驗(yàn)效率。501. 引言引言穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái) 評(píng)價(jià)進(jìn)氣道的方法2. 幾種模擬不同氣道偏差的機(jī)構(gòu)裝置幾種模擬不同氣道偏差的機(jī)構(gòu)裝置標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣道，氣道傾斜, 氣道偏心和脹大3. 試驗(yàn)結(jié)果及分析試驗(yàn)結(jié)果及分析標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣道性能;帶有傾

16、斜偏差的進(jìn)氣道性能 , 兼有傾斜和脹大偏差的進(jìn)氣道性能 兼有偏心和脹大偏差的進(jìn)氣道性能帶有脹大偏差的進(jìn)氣道性能4. 對(duì)一組氣缸蓋進(jìn)氣道的檢測(cè)結(jié)果對(duì)一組氣缸蓋進(jìn)氣道的檢測(cè)結(jié)果5. 結(jié)論結(jié)論51入口端左右斜率 1:50出口端 定位孔氣道入口端出口端12345678圖2. 傾斜進(jìn)氣道52123456789101112定位孔出口端入口端左右圖.3 偏心進(jìn)氣道方位 P.1 P.10 P.7 P.453ab圖5. 缸蓋氣道位置尺寸示意圖541. 引言引言穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái) 評(píng)價(jià)進(jìn)氣道的方法2. 模擬不同氣道偏差的機(jī)構(gòu)裝置標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣道，氣道傾斜, 氣道偏心和脹大3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣道性能;帶有傾

17、斜偏差的進(jìn)氣道性能 , 兼有傾斜和脹大偏差的進(jìn)氣道性能 兼有偏心和脹大偏差的進(jìn)氣道性能帶有脹大偏差的進(jìn)氣道性能4. 對(duì)一組氣缸蓋進(jìn)氣道的檢測(cè)結(jié)果對(duì)一組氣缸蓋進(jìn)氣道的檢測(cè)結(jié)果5. 結(jié)論結(jié)論55圖6 標(biāo)準(zhǔn)氣道性能曲線0.00.20.40.60.8 large small CF246810120.00.20.40.6 NrValve Lift(mm)大氣門小氣門氣門升程 （mm）0.000.020.040.060.080.10 large small k246810120.51.01.52.0Cu/CaValve Lift(mm)大氣門小氣門氣門升程 （mm）56表 1 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣道的流動(dòng)性能評(píng)價(jià)方法RicardoFEV參數(shù)