摘要 摘要 內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)及缸內(nèi)空氣運(yùn)動對混合氣形成和燃燒過程具有決定性的 作用，影響著發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、燃燒噪聲和有害氣體的排放。 通過對內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣道的穩(wěn)流試驗(yàn)來評定和預(yù)測進(jìn)氣道的流通特性，已經(jīng)成 為內(nèi)燃機(jī)研究的重要手段之一。柴油機(jī)進(jìn)氣道設(shè)計廣泛采用氣道穩(wěn)流試驗(yàn)測量 其渦流比和流量系數(shù)來評定氣道的流動阻力和氣缸內(nèi)渦流的強(qiáng)度，是氣道研究 工作的重要工具。 流量系數(shù)是氣閥特性的重要參數(shù)，不同的研究所對流量系數(shù)采用不同的定 義，論文采用德國柏林工大內(nèi)燃機(jī)研究所( 、m ) 的方法，針對壓氣式穩(wěn)態(tài)試 驗(yàn)臺，用新的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)流量系數(shù)的展開公式，對由德國某著名汽車設(shè)計公 司提供的氣缸蓋的氣閥特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，測量其氣閥流量系數(shù)。 論文是在德國柏林工大內(nèi)燃祝研究所( v k m ) 實(shí)習(xí)中，在h p u c h e r 教授輔 導(dǎo)下完成。論文將試驗(yàn)所得流量系數(shù)值與發(fā)動機(jī)生產(chǎn)廠商提供的通過a v l 方法 測定的流量系數(shù)值進(jìn)行比較，驗(yàn)證新方法的可行性。采用新的數(shù)學(xué)模型與之前 的數(shù)學(xué)模型求得的氣閥流量系數(shù)進(jìn)行比較，分析誤差。對不同流向時進(jìn)排氣閥 的流量系數(shù)進(jìn)行了測定，分析比較其不同特性，并與f e v 方法定義的流量系數(shù) 進(jìn)行比較。最后，在不同壓差，不同氣閥升程情況下，測量氣閥流量系數(shù)，深 入分析氣閥特性。 最后，關(guān)于進(jìn)一步工作的方向進(jìn)行了簡要的討論。 關(guān)鍵字：內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣閥流量系數(shù)壓氣式穩(wěn)流試驗(yàn) a b s t r a c t a b s t r a c t 1 套ei n - c y l i n d e rf l u i dm o t i o ni ni n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ej so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tc o n 仃o l l i n gt h ec o m b u s t i o np r o c e s s i tg o v e r n st h ef u e l a i rm i x i n ga n d b u r n i n gr a t e si nd i e s e le n g i n e s t h ef l u i df l o wp r i o rt oc o m b u s t i o ni n i n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e si sg e n e r a t e dd u r i n gt h ei n d u c t i o np r o c e s sa n dd e v e l o p e dd u r i n g t h ec o m p r e s s i o ns t r o k e t h e r e f o r eab e t t e ru n d e r s t a n d i n go ff l u i dm o t i o nd u r i n gt h e i n d u c t i o np r o c e s si sc r i t i c a lf o rd e v e l o p i n ge ：n 百n ed e s i g n sw i t ht h em o s td e s i r a b l e o p e r a t i n ga n de m i s s i o nc h 嘲s t i c s a c y l i n d e rh e a df r o maf o u r - v a l v ee n g i n ew a su s e di nt h i sw o r k t h ec h a r a c t e r i s t i c s o f t h e i n - a n d o u t l e t v a l v e so f t h i sc y l i n d e r w o u l d b e t h r o u g h f l o w c o e f f i c i e n ts t u d i e d i no r d e rt og e t 伍ef l o wc o e f f i c i e n to f t h ev a l v e s t h es t a t i o n a r yf l o wt e s tb e n c hw o u l d b eu s e d t h et e s tr e s u l t sw o u l da l s ob ea n a l y z e d t l l i st h e s i sw a sw r i t l e nd u r i n gm y i n t e r n s h i pa t o dt u - b e r l i nu u ds u p e r v i s e db yp r o f e s s o rh p u c h e r i nt h ef m a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：i n t e r n a l c o m b v s t i o ne n g i n e , i n l e ta n do u t l e tv a l v e s ，f l o wc o e f f i c i e n t , s t a t i o n a r yt e s t i i 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解同濟(jì)大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意如下各項(xiàng)內(nèi)容：按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版 本；學(xué)校有權(quán)保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、 掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以及提供 本學(xué)位論文全文或者部分的閱覽服務(wù)；學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有 關(guān)部門或者機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版；在不以贏利為目的的前 提下，學(xué)?？梢赃m當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部內(nèi)容用于學(xué)術(shù)活動。 學(xué)位論文作者簽名： 年月日 同濟(jì)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，進(jìn)行 研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文 的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的 作品的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個人和集 體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任 由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 年月日 第l 章引言 第1 章引言 1 1 課題的研究意義 發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)重要組成部分，進(jìn)排氣系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接決 定發(fā)動機(jī)性能的高低一同樣大小的氣缸容積在相同的迸氣狀態(tài)下，若吸入更多 的新鮮空氣，則允許噴入更多的燃料，在同樣的燃燒條件下可以獲得更多的有 效功。 發(fā)動機(jī)的有效功忍的定義式為： p e = 半+ 等芒仉 “， 勺4 l i _ - 。 式中，氣缸容積( 三) ； 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速( 1 r a i n ) ； 五充氣效率； 仉機(jī)械效率； k 燃料燃燒熱值最低空氣需要量( g l j ) ； 見進(jìn)氣空氣密度( g m 3 ) ； 乃過量空氣系數(shù)。 對于一個發(fā)動機(jī)在特定工況下，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為定值，所以有效功凡的 大小主要取決于機(jī)械效率仉、燃料燃燒熱值也、最低空氣需要量上鈾、進(jìn)氣空 氣密度見，過量空氣系數(shù)乃和充氣效率五，如下式( 1 2 ) 所示： 乞一統(tǒng)五鞏了專一 卻k h ( 1 2 ) 而燃料燃燒熱值風(fēng)和最低空氣需要量k 。的大小只與燃料的特性有關(guān)，當(dāng) 進(jìn)氣密度見為定值，式( 1 2 ) 可進(jìn)一步簡化得： 乞。五鞏_ 1 矗 ( 1 3 ) 第1 章引言 功的大小。充氣效率丑是指每循環(huán)實(shí)際進(jìn)入氣缸的新充量與進(jìn)氣狀態(tài)充滿汽缸 工作容積的新鮮充量之比：過量空氣系數(shù)定義為燃燒l k g 燃料實(shí)際供入缸內(nèi) 的空氣量與理論上所需的空氣量之比。因此，如何提高充氣效率丑是提高發(fā)動 機(jī)動力性及經(jīng)濟(jì)性的一個重要手段。 降低進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力損失，提高氣缸內(nèi)進(jìn)氣終了時的壓力，降低排氣系統(tǒng) 的阻力損失，減少缸內(nèi)殘余廢氣是提高充量系數(shù)主要方法之一，而氣閥流量系 數(shù)是用來描述發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)( 包括氣閥，氣缸蓋和氣道) 阻力的關(guān)鍵參數(shù)， 直接影響發(fā)動機(jī)的充氣效率。 同時，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)空氣的運(yùn)動是控制發(fā)動機(jī)燃燒的關(guān)鍵，空氣運(yùn)動不但有 利于空氣和燃油的混合，并決定了發(fā)動機(jī)的燃燒效率”1 ，渦流比是衡量缸內(nèi)空氣 運(yùn)動的重要參數(shù)，對研究缸內(nèi)混合氣體的運(yùn)動，提高發(fā)動機(jī)燃燒效率有非常重 要的作用。 對于已成為近年來柴油發(fā)動機(jī)發(fā)展趨勢的直噴式柴油機(jī)，氣閥流量系數(shù)及 缸內(nèi)空氣的運(yùn)動尤為重要，它們是優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)和燃燒室結(jié)構(gòu)三者之 間的匹配的基礎(chǔ)，所以，對氣閥的流通特性進(jìn)行研究，有利于進(jìn)一步提高直噴 柴油機(jī)性能。 其次，通過實(shí)驗(yàn)得到的流量系數(shù)值可以為計算機(jī)仿真分析、模擬計算等提 供依據(jù)。通過計算機(jī)仿真分析可以在發(fā)動機(jī)開發(fā)法的早期衡量其所用方法的正 確性，在對發(fā)動機(jī)優(yōu)化過程中，可以通過軟件對不同參數(shù)對發(fā)動機(jī)性能的影響 進(jìn)行分析，大大減少了試驗(yàn)時間。在對發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程進(jìn)行仿真時，實(shí)際進(jìn)氣 量歷可通過下式計算得到： t h = c t 4 而i ( 1 4 ) 式中，口流量系數(shù)： 4 氣門的開啟截面積( m 2 ) ； a 、p 0 分別為氣閥前后的壓力值( p a ) ； k 氣體等熵指數(shù)。 因此，深入了解氣閥流量系數(shù)特性對于組織良好的燃燒過程，開發(fā)具有高 性能和低污染的直噴式柴油發(fā)動機(jī)具有重要意義1 3 1 。 2 第1 章引言 1 2 發(fā)動機(jī)換氣過程 發(fā)動機(jī)的換氣過程包括排氣過程和進(jìn)氣過程，主要需要將缸內(nèi)的廢氣排凈， 并吸入盡可能多的新鮮工質(zhì)( 空氣或空氣和燃料混合氣) ，組織合適的缸內(nèi)氣流 運(yùn)動，同時要盡可能的減小換氣損失。 完整的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)包括空氣濾清器、進(jìn)氣歧管( 諧振箱和支管) 、進(jìn)氣 總管和進(jìn)氣門機(jī)構(gòu) 4 1 。 柴油機(jī)工作時，空氣從進(jìn)氣口以很高的速度被吸入。被吸人的空氣沿著進(jìn) 氣管，經(jīng)過進(jìn)氣管接頭到達(dá)空氣濾清器。經(jīng)過空氣濾清器過濾的清潔的空氣沿 空氣濾清器彎頭膠管，依次經(jīng)過連接管，鋼絲膠管和后進(jìn)氣管，到達(dá)增壓器至 進(jìn)氣管的過渡彎頭處。然后，清潔的空氣進(jìn)入增壓器進(jìn)氣口，經(jīng)過增壓以后的 增壓空氣進(jìn)入中冷器，隨后進(jìn)入整體式缸蓋上的進(jìn)氣歧管和進(jìn)氣閥。最后，大 部分新鮮空氣流過節(jié)氣門，經(jīng)過氣閥進(jìn)入缸內(nèi)。 排氣系統(tǒng)的作用是減少發(fā)動機(jī)燃燒產(chǎn)生排氣中的污染物，將排氣引向車輛 上適合的位置排出，盡可能降低排氣噪聲。在排氣過程中盡量減少功率損耗。 殘余氣體是由于排氣閥打開期間未能排除缸內(nèi)的廢氣，殘余廢氣量不直接參與 燃燒過程，但是它影響著點(diǎn)火和燃燒工程。柴油機(jī)排出的廢氣中含有大量的碳 化物。如果廢氣進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)。碳化物會很快堵塞紙濾芯。若大量廢氣進(jìn)入氣 缸。將會惡化柴油機(jī)的燃燒過程。 換氣過程一般可分為三個階段： 1 )自由排氣階段：此階段是從排氣門打開到缸內(nèi)壓力接近排氣管壓力為止。在 ，、上 這個階段，氣體會自行排出氣缸，不需借助任何外力，當(dāng)?shù)ゝ k + lr 時， p 2 p z 和n 分別為氣缸及排氣管壓力，這個階段中還會出現(xiàn)超臨界狀態(tài)和亞臨 界流動。超臨界狀態(tài)是指氣體流動速度與氣缸內(nèi)外壓差無關(guān)，只取決于當(dāng)?shù)?音速，即： v = 4 = i x r t ( 1 5 ) 式中，1 ，氣體流速( m s ) ； 口當(dāng)?shù)匾羲? m s ) ： r 溫度( k ) 。 第1 章引言 當(dāng)溫度r 在8 7 3 1 1 7 3 k 時，音速a 在5 0 0 至6 0 0 m s 之間：亞臨界流動 時，流動的速度與排氣門前后的壓差有關(guān)。一般來說自由排氣階段占排氣總 量的6 0 左右。 2 ) 強(qiáng)制排氣階段：這時活塞已開始向上運(yùn)行，將一部分燃燒殘余廢氣強(qiáng)制推出， 氣體的流動速度取決于壓差，壓差越大，流速也越大，但耗功越多。這一階 段在上止點(diǎn)后1 0 度到3 5 度時關(guān)閉，其目的主要為在減少排氣消耗功和缸內(nèi) 殘余廢氣量。 3 ) 進(jìn)氣過程：在迸氣剛開始時，氣缸內(nèi)以形成了較大的真空度，這一過程一般 在上止點(diǎn)前0 度到4 0 度時開始，下止點(diǎn)4 0 度到7 0 度時關(guān)閉，在進(jìn)氣過程 中，進(jìn)氣門關(guān)閉時刻對于充氣效率隨轉(zhuǎn)速的變化起著決定性的影響左右，進(jìn) 氣門早關(guān)，最大充氣效率出現(xiàn)在低速區(qū)，而進(jìn)氣門遲閉，最大充氣效率則出 現(xiàn)在高速區(qū)。 進(jìn)排氣閥的適當(dāng)開閉控制了新鮮空燃混合氣和殘余廢氣的充氣過程。凸輪 軸上的凸輪決定了氣閥打開和關(guān)閉的時間( 氣閥正時) 和氣閥升程曲線。氣閥 重疊期( 即迸氣閥和排氣閥打開的重疊時間) 對缸內(nèi)的殘余廢氣量具有決定性 的影響。如圖1 1 所示為四沖程發(fā)動機(jī)配氣定時示意圖，氣閥重疊角的存在可 以利用進(jìn)氣將廢氣推出，有利于增加氣缸新鮮充量；可以冷卻高溫零件、降低 排溫。但是也會造成混合氣直接排出或進(jìn)氣管回流的情況。 所以說整個換氣過程是柴油機(jī)的重要組成部分在進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計中要考 慮的因素很多，僅憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計是無法完成這一任務(wù)的。 上止點(diǎn) 進(jìn)氣門開三蘭望當(dāng)蘭叁之簍，門繭進(jìn)氣門開，；一( = j = = ) 之，：”，石 搏氣崦璧垂耄主蠶鼢5堙庸 避氣門是 i 攤氣r i , i t 。 圖1 1 四沖程發(fā)動機(jī)配氣定時示意圖 4 第1 章引言 1 3 發(fā)動機(jī)的缸內(nèi)空氣運(yùn)動 發(fā)動機(jī)缸內(nèi)空氣運(yùn)動對混合氣形成和燃燒過程具有決定性的影響，同時也 影響著發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、燃燒噪聲和有害氣體的排放。組織良好的缸 內(nèi)空氣運(yùn)動對提高柴油機(jī)的燃油空氣混合速率，提高燃燒速率，促進(jìn)燃燒過程 中空氣與未燃燃料的混合有著重要作用；同樣，組織良好的缸內(nèi)空氣運(yùn)動對提 高汽油機(jī)的火焰?zhèn)鞑ニ俾?、降低燃燒循環(huán)變動、適應(yīng)稀燃或分層燃燒也有著重 要作用“1 。柴油機(jī)缸內(nèi)空氣運(yùn)動主要以渦流運(yùn)動為主，而汽油機(jī)( 尤其是多氣門 汽油機(jī)) 缸內(nèi)渦流運(yùn)動和滾流運(yùn)動同時并存。它們對提高發(fā)動機(jī)燃燒效率和降低 有害物質(zhì)的排放起著關(guān)鍵的作用。 在進(jìn)氣過程中形成的，繞氣缸軸線有組織的氣流運(yùn)動稱為進(jìn)氣渦流。由于 存在氣流之間的內(nèi)摩擦耗損和氣流與缸壁之問的摩擦，將使進(jìn)氣渦流在壓縮過 程逐漸衰減。一般情況下，在壓縮終了時，約有l(wèi) 4 的初始角動量損失掉。當(dāng) 活塞接近于上止點(diǎn)時，大量空氣被迫進(jìn)入位于活塞頂部的燃燒室內(nèi)，使凹坑內(nèi) 的切線速度有所增加。進(jìn)氣結(jié)束時，氣缸內(nèi)旋流速度的分布表明，小于某一半 徑時，切線速度隨半徑的增加而增大，速度呈剮體渦流分布；超過這一半徑時， 切線速度隨半徑的增加而減小，速度仍呈勢流分布。當(dāng)活塞接近于上止點(diǎn)時， 剛體流動明顯增強(qiáng)，勢流運(yùn)動明顯減弱，可以認(rèn)為此時燃燒室凹坑內(nèi)的旋流運(yùn) 動為剛體流。 直噴式柴油機(jī)缸內(nèi)渦流按其產(chǎn)生方式可分成兩類： 一是由進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)或在進(jìn)氣道內(nèi)制造人為擾動產(chǎn)生的進(jìn)氣渦流；二是利 用燃燒室的特殊形狀在壓縮沖程后期和膨脹沖程初期產(chǎn)生的擠壓渦流。進(jìn)氣渦 流主要是繞氣缸中心線的定向渦流。組織進(jìn)氣渦流的目的，除了改善混合氣的 形成，提高混合氣的質(zhì)量外，主要是利用它來存儲進(jìn)氣氣流的動能，并在燃燒 時傳播火焰小團(tuán)( 微渦流) ，提高火焰?zhèn)鞑ニ俣龋涌烊紵俣?。對于柴油機(jī)， 進(jìn)氣渦流主要用于增強(qiáng)噴油油束與空氣的混合，提高燃油空氣混合速率，實(shí)現(xiàn) 快速燃燒。進(jìn)氣渦流的大小由進(jìn)氣道形狀和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速決定，根據(jù)進(jìn)氣渦流的 形成原理，人們研究了各種產(chǎn)生進(jìn)氣渦流的方法，現(xiàn)主要采用特殊形狀的迸氣 道，來形成繞氣缸中心線的旋轉(zhuǎn)迸氣渦流運(yùn)動1 6 1 。 1 ) 切向氣道，氣道母線與氣缸相切，氣道類似于噴管。其結(jié)構(gòu)簡單、流動 阻力小，但對氣口的位置很敏感。如圖1 2 所示。 2 ) 螺旋氣道形成兩個渦流，一是繞氣門中心旋轉(zhuǎn)，其強(qiáng)度與氣道本身結(jié)構(gòu) 第1 章引言 有關(guān)。二是繞氣缸中心旋轉(zhuǎn)，其強(qiáng)度與氣道相對于氣缸布置有關(guān)。由此 組成沿螺旋線推進(jìn)的渦流運(yùn)動。采用這種方式能產(chǎn)生較強(qiáng)的進(jìn)氣渦流， 制造工藝要求高，調(diào)試工作量大。 3 ) 導(dǎo)氣屏，氣門上放置導(dǎo)氣片，可讓空氣沿一定角度進(jìn)入氣缸。 圖1 2 切向氣道示意圖圖1 3 螺旋氣道示意圖 進(jìn)氣渦流對直噴式柴油機(jī)燃燒過程的作用主要體現(xiàn)在進(jìn)氣渦流促進(jìn)了油束 發(fā)散，加快了空氣與油粒的摻混、霧化和蒸發(fā)，加速了著火前混合氣的形成和預(yù) 混氣體燃燒的發(fā)生及進(jìn)行，縮短了滯燃期和燃燒持續(xù)期，使柴油機(jī)工作柔和，燃燒 完善，減少了有害物質(zhì)的排放。氣缸內(nèi)氣體運(yùn)動除了渦流外還有以下幾種運(yùn)動模 式： 1 ) 擠流運(yùn)動 利用活塞運(yùn)動產(chǎn)生渦流( 擠流) 。組織擠氣渦流的要素有三個：擠氣面積、 擠氣間隙和擠氣面的布置。在壓縮過程后期，活塞表面的某一部分和氣缸蓋彼 此靠近時所產(chǎn)生的徑向或橫向氣流運(yùn)動稱為擠壓流動，又稱擠流。擠流強(qiáng)度主 要由擠氣面積和擠氣間隙的大小決定。擠流在汽油機(jī)上锝到了廣泛的應(yīng)用，汽 油機(jī)緊湊型燃燒室都利用較強(qiáng)的擠流運(yùn)動，以增強(qiáng)燃燒室內(nèi)的湍流強(qiáng)度，促進(jìn) 混合氣快速燃燒。當(dāng)活塞下行時，燃燒室中的氣體向外流到環(huán)形空聞，產(chǎn)生膨 脹流動，成為逆擠流。逆擠流在柴油機(jī)上有助于將燃燒室內(nèi)的混合氣流出，使 其迸一步和氣缸內(nèi)的空氣混合燃燒，對改善燃燒和降低排放十分有利。縮口形 燃燒室就是充分利用了較強(qiáng)擠流和逆擠流。擠氣渦流對轉(zhuǎn)速和負(fù)荷依賴性較小， 6 第1 章引言 因僅通過活塞的運(yùn)動產(chǎn)生渦流而不影響充氣效率和造成進(jìn)氣流動損失。但渦流 強(qiáng)度小，只是出現(xiàn)在上止點(diǎn)附近，維持時間不長，只能起輔助作用。 2 ) 滾流運(yùn)動 滾流是一種在氣缸內(nèi)形成的大輻度空氣旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，其旋轉(zhuǎn)軸垂直于氣缸軸 線，因此也可稱為橫軸渦流，這一流動是在8 0 年代后期才被發(fā)現(xiàn)的，隨后世界 各研究機(jī)構(gòu)對滾流的產(chǎn)生、發(fā)展、破碎機(jī)理以及它對燃燒的影響進(jìn)行了大量的 研究。 通過對滾流的湍流頻譜分析發(fā)現(xiàn)，湍流結(jié)構(gòu)中低頻能量占8 0 ，滾流破碎 后使低頻和高頻分量都以不同程度的增加。大量的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬表明， 在滾流破碎的時刻，湍流分量的積分尺度突然增大，但隨后又下降到比較小的 數(shù)值。滾流強(qiáng)度越大，湍流的積分尺度就越小，在二氣門汽油機(jī)上對滾流和渦 流的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，盡管滾流結(jié)構(gòu)中的低頻分量較多，但滾流的湍流總量比渦 流的湍流總能量要高，因此滾流對燃燒的改善作用比渦流更大。滾流運(yùn)動在進(jìn) 氣過程產(chǎn)生，在壓縮過程的早期和中期得到加強(qiáng)。但在壓縮終了，由于其運(yùn)動 軌跡與燃燒室形狀不相適應(yīng)而產(chǎn)生極大的變形，整個結(jié)構(gòu)破碎變成湍流，從而 形成異常強(qiáng)烈的湍流運(yùn)動，大大加快了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，可抑制爆震，減少循環(huán) 變動，提高發(fā)動機(jī)稀燃能力，改善發(fā)動機(jī)性能。 3 ) 湍流運(yùn)動 在發(fā)動機(jī)氣缸中形成的無規(guī)則氣流運(yùn)動稱為湍流，是一種不定常氣體流動。 流體質(zhì)點(diǎn)速度的大小、方向及壓力都隨時間而不斷紊亂地變化著，湍流中的流 體微團(tuán)會繞其瞬時軸作無規(guī)則的且經(jīng)常被擾亂的有旋運(yùn)動，這些旋渦會不斷地 發(fā)展或消滅，即湍流具有發(fā)散性、耗散性和有旋性。湍流可以分為兩大類，即 氣流流過固體表面時產(chǎn)生的壁面湍流和同種流體不同流速層之間產(chǎn)生的自由 湍流。內(nèi)燃機(jī)中的湍流形式主要是自由湍流。一般說來，湍流是各種流動形式中 最本質(zhì)的一種流動現(xiàn)象，其它流動形式是湍流在某一瞬時某種宏觀規(guī)則性的表 現(xiàn)。 充氣效率、渦流運(yùn)動與燃燒三者之間存在一個相互矛盾的關(guān)系，即充氣效 率越大，進(jìn)入氣缸的新鮮空氣越多，單位體積下氣缸內(nèi)可噴入更多的燃油，但 是，充氣效率越大，其空氣渦流運(yùn)動相對減小，這又不利于缸內(nèi)的燃燒過程。 特別對于四氣門發(fā)動機(jī)，如圖1 4 所示，在進(jìn)氣過程中，存在兩個氣道的空氣 流量的不均勻性、進(jìn)氣過程中兩個氣道出口處形成的空氣運(yùn)動干涉、進(jìn)氣過程 7 第1 章引言 中兩個氣道產(chǎn)生的進(jìn)氣渦流合理匹配、以及缸內(nèi)渦流比與進(jìn)氣量的最佳優(yōu)化等 問題。所以，如何協(xié)調(diào)充氣效率與氣流運(yùn)動之間的關(guān)系是發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)研 究的重點(diǎn)。針對這一研究現(xiàn)狀各國提出了各種理論計算的方法，進(jìn)行了不同的 試驗(yàn)研究。 圖1 4 四氣門發(fā)動機(jī)進(jìn)氣示意圖 1 進(jìn)氣閥2 渦流進(jìn)氣道3 氣缸4 活塞5 進(jìn)氣道6 節(jié)氣門 1 4 發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)性能及缸內(nèi)空氣運(yùn)動的試驗(yàn)研究 對內(nèi)燃機(jī)氣道中氣體流動和氣缸內(nèi)空氣運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)研究可分為宏觀方法和 微觀方法 7 1 0 1 4 1 宏觀測量方法 從宏觀上評價發(fā)動枧進(jìn)攤氣道特性對主要采用穩(wěn)流氣道試驗(yàn)臺，用穩(wěn)流氣 道試驗(yàn)臺來檢鋇4 發(fā)動機(jī)氣道特性具有測量簡單、便捷、費(fèi)用低以及適于批量檢 測等特點(diǎn)。 采用氣道穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)方法可以把進(jìn)氣道和氣缸內(nèi)的不穩(wěn)定氣流運(yùn)動在氣道模 擬實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流動模擬試驗(yàn)，測量迸氣渦流強(qiáng)度和氣道阻力，是發(fā)動_ 機(jī) 產(chǎn)品開發(fā)和燃燒過程研究的重要組成部分。 對于組織進(jìn)氣渦流的發(fā)動機(jī)來說，進(jìn)氣系統(tǒng)一直是影響性能的重要方面， 第l 章引言 但在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，由于活塞和氣門的運(yùn)動將改變流動結(jié)構(gòu)，氣流是間歇的不 穩(wěn)定流動，很難直接在發(fā)動機(jī)上測定渦流強(qiáng)度，很難評價進(jìn)氣系統(tǒng)的好壞。但 研究表明：穩(wěn)定條件下得到的結(jié)果與實(shí)際內(nèi)燃機(jī)中的流動狀況有一定對應(yīng)關(guān)系。 如果引進(jìn)氣門升程差異的恰當(dāng)修正，穩(wěn)定流動條件下得到的渦流運(yùn)動可以反映 不穩(wěn)定流動條件下的渦流運(yùn)動。流動的不穩(wěn)定性、活塞和氣門的運(yùn)動對氣道內(nèi) 和氣門出口處的平均流動結(jié)構(gòu)影響較小，因此可以根據(jù)穩(wěn)定流動實(shí)驗(yàn)中得到的 結(jié)果進(jìn)行預(yù)測；而流動的不穩(wěn)定性、活塞和氣門的運(yùn)動對氣缸內(nèi)流動特性有較 大的影響，因此不能從穩(wěn)定流動結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。在運(yùn)行工況下氣體的流動特性 可以借助于固定氣門升程下與運(yùn)行工況活塞平均速度對應(yīng)的空氣流率的穩(wěn)定測 量結(jié)果進(jìn)行模擬”。氣門出口處流動結(jié)構(gòu)沿氣門周向是不均勻的，軸向速度分布 對氣門升程敏感。而進(jìn)氣過程中缸內(nèi)流動不能用對應(yīng)氣門升程下穩(wěn)定流動來模 擬1 1 0 j 。 氣道穩(wěn)流試驗(yàn)是在穩(wěn)壓流動的條件下測量缸內(nèi)進(jìn)氣渦流強(qiáng)度、進(jìn)氣道阻力 特性的試驗(yàn)。關(guān)于缸內(nèi)渦流的直接測量方法主要有兩種：一種是葉片風(fēng)速儀法， 另一種是渦流動量計法。 ( 1 ) 葉片風(fēng)速儀法 葉片風(fēng)速儀法用葉片的葉輪直接測量渦流旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，把葉輪的轉(zhuǎn)速近似 地看作氣流的轉(zhuǎn)速，這種方法建立在氣流作剛體渦流的情況下，忽略了軸向速 度分布和切向速度分布的影響。因此，這種方法誤差較大，易受氣道導(dǎo)向、氣 門的布置、氣門大小和數(shù)目、氣門升程和測量面離氣缸蓋的距離的影響。但由 于操作簡單，這種方法很早就用于氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺上對進(jìn)氣渦流進(jìn)行測量，它 雖然不太準(zhǔn)確，但在同一試驗(yàn)臺上可以比較不同進(jìn)氣道的進(jìn)氣參數(shù)。葉片風(fēng)速 儀只能測量氣缸半徑范圍以內(nèi)的渦流轉(zhuǎn)速平均值。如圖1 5 所示為采用葉片風(fēng) 速儀法時的試驗(yàn)安裝簡圖，在選取葉片時，般多采用a v l 和r i c a r d o 式葉 片進(jìn)行測量。 ( 2 ) 渦流動量計法w 用動量式渦流計測量是種測定缸內(nèi)渦流的新方法。它是近二十年以來廣 泛應(yīng)用起來的一種測試儀器。動量渦流計由一個蜂窩狀基體組成，用它阻擋渦 流。在動量渦流計后面僅有軸向速度分量。因此，作用在渦流計上的扭矩和原 有的角動量通量相等。此種測量方法不受軸向速度分布和切向速度分布的影響， 另外，采用渦流動量計的方法，外界環(huán)境對它的影響較小。因此，這種方法測 9 第l 章引言 得的誤差較小。 上述二種方法都無法用來測量空氣流動時渦流的瞬時值，而只能用來測量 宏觀的渦流。 工 圖1 5 葉片式渦流測量試驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖 測量氣道阻力特性的穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)方法包括等壓差法、等體積流量法、模擬氣 缸軸向流速法和變壓差法 1 2 1 。 ( 1 ) 等壓差法 在保持氣道壓降不變的情況下，模擬內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣過程，從上止點(diǎn)到下止點(diǎn)( 或 從下止點(diǎn)到上止點(diǎn)) 每隔一定的氣門升程，測定孔板前后的壓差和風(fēng)速儀轉(zhuǎn)速 ( 或渦流動量矩力矩) ，測量結(jié)果經(jīng)計算機(jī)處理為無因次量。 ( 2 ) 等流量法 以通過模擬氣缸的體積流量等于通過內(nèi)燃機(jī)氣缸的體積流量的四倍作為模 擬條件，以氣道的壓力降和風(fēng)速儀轉(zhuǎn)速( 或渦流動量矩) 為評價參數(shù)。由于模擬 氣缸中氣體密度在試驗(yàn)時事先不知道，試驗(yàn)時難于操縱和調(diào)節(jié)，因此往往略去 氣缸到孔板流量計這段管路的壓降，忽略密度差異，用通過孔板流量計的體積 流量作為氣缸模擬流量來控制。 ( 3 ) 模擬氣缸軸向流速法 以活塞平均速度作為模擬條件，以風(fēng)速儀轉(zhuǎn)速( 或渦流動量矩力矩) 和氣道阻 力壓降作為評價氣道性能的參數(shù)。該方法與等氣缸體積流量法一致。因?yàn)閷ν?一氣缸來說，體積流量相等時，氣流在氣缸內(nèi)的軸向流速也必相等。所以氣道 壓降也必然受到大氣條件的影響。若是采用無因次渦流比和氣缸內(nèi)外體積重率 1 0 第l 章引言 比作為評價參數(shù)將更加合適，重率比在某種意義上表征了流量系數(shù)。試驗(yàn)是在 不同氣門升程下改變氣體流量進(jìn)行測量的。 ( 4 ) 變壓差法 變壓差方法在氣道穩(wěn)流試驗(yàn)中不采用模擬氣缸內(nèi)恒壓差條件，一次調(diào)節(jié)氣 缸內(nèi)壓差后就可以采集各氣門升程下的測量參數(shù)，試驗(yàn)操作程序的減化有利于 計算機(jī)數(shù)據(jù)的采集和實(shí)現(xiàn)氣門升程調(diào)節(jié)的自動化，大幅度地縮短了試驗(yàn)時間， 提高了工作效率。 變壓差穩(wěn)流試驗(yàn)方法如下：以吸氣方式為例，在氣閥最大升程時( 此時流 量最大，缸內(nèi)真空度最小，氣道壓差也最小) ，調(diào)節(jié)模擬氣缸內(nèi)與大氣環(huán)境的壓 差為特定值，壓差值根據(jù)試驗(yàn)發(fā)動機(jī)模擬氣缸缸徑的大小來確定。試驗(yàn)過程中， 隨著氣閥升程的減小，其流量減小，缸內(nèi)真空度自動加大，氣道的壓差也自動 加大，直至試驗(yàn)結(jié)束，只要保證最大升程時進(jìn)氣流動為充分發(fā)展的湍流狀態(tài)， 就保證了所有的試驗(yàn)過程都是在充分發(fā)展的湍流狀態(tài)下進(jìn)行。穩(wěn)流試驗(yàn)全過程 不再調(diào)節(jié)和保持模擬氣缸內(nèi)為恒定壓差。 1 4 2 微觀測量方法 目前內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域使用最多的流動測試技術(shù)有離子探針o p ) 、熱線風(fēng)速儀 帆) 和激光測速法等 1 3 1 。 ( 1 ) 離子探針法 離子探針法通過在氣體中與流速垂直方向進(jìn)行放電，利用電弧放電路徑隨 流動而移動的性質(zhì)，用一探針測量電弧路徑流過一定距離的時間來測定流速， 是一種間接測量法?？诳梢詼y量發(fā)火內(nèi)燃機(jī)上的流動，但是難以得到脈動參數(shù)， 而且對火焰內(nèi)的電離氣體不能運(yùn)用。 ( 2 ) 熱線風(fēng)速儀法 熱線風(fēng)速儀是利用通電的熱線探頭在氣流中的散熱強(qiáng)度與氣體流速大小之 間存在的關(guān)系來測定流速的。它的優(yōu)點(diǎn)是：探頭尺寸小、反應(yīng)快、靈敏度和信噪 比高，能夠進(jìn)行循環(huán)變動及湍流尺度的測量。熱線風(fēng)速儀用于流速的測量己有 幾十年的歷史，是內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)流場測量的重要手段，為內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展起了積極 的作用。經(jīng)過不斷的改進(jìn)，其穩(wěn)定性、靈敏度和精確度都有了顯著的提高。但 一般的單絲熱線只能測出垂直于熱線絲方向的氣流速度分量，且不能辨別其方 向。 第1 章引言 ( 3 ) 激光鍘速法 激光測試技術(shù)是用于發(fā)動機(jī)內(nèi)流體流動、燃油噴霧和燃燒研究的高科技手 段，屬于非接觸測量。通過運(yùn)用各種流動顯示技術(shù)可以較直觀地反映出內(nèi)燃機(jī) 內(nèi)的流動過程，從而了解復(fù)雜的流動現(xiàn)象，探索其物理機(jī)制和運(yùn)動規(guī)律。通過 激光測試技術(shù)可以測量高溫流體，空間分辨率較高，定量測量精度高，測量范圍 廣，動態(tài)響應(yīng)快，可進(jìn)行實(shí)時測量。具有良好的方向靈敏度，并可以進(jìn)行多維 測量。但設(shè)備價格昂貴，系統(tǒng)復(fù)雜。 激光測量技術(shù)主要包括l a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t r y ( l d v ) 激光多普勒澳g 速 法，p h a s e d o p p l e ra n e m o m c t r y ( p d a ) 相位多普勒測速法以及p a r t i c l ei m a g e v e l o c i m c t r y ( p i v ) 粒子示蹤激光測速法三類 1 4 3 。 l d v 技術(shù)建建立在激光多普勃頻移基礎(chǔ)上，通過測量頻率來測量流體流動 速度的一種非常成熟的方法。傳統(tǒng)的激光多普勒流場測速中，要利用流場中懸 浮的大顆粒灰塵和雜質(zhì)的散射，故只能測一點(diǎn)速度的某一分量。近年來，隨著 激光技術(shù)和高靈敏度探測儀器的出現(xiàn)，開發(fā)了激光瑞利散射流場測量技術(shù)，可 以直接利用分子、原子和離子體的瑞利散射進(jìn)行流場測量。近年來l d v 在內(nèi) 燃機(jī)的氣體運(yùn)動測量中得到了廣泛的應(yīng)用。l d v 對流場沒有干擾，且不需要進(jìn) 行溫度和壓力的校正，但價格昂貴。 p d a 技術(shù)是2 0 世紀(jì)8 0 年代后期發(fā)展起來并用子測量兩擺漉的重要工具。 它憑借由運(yùn)動粒子產(chǎn)生的兩個或多個l d v 信號進(jìn)行測量，其中信號頻率代表 了粒子的速度，信號間的相位漂移用于確定粒子的大小。 p i v 技術(shù)主要用于測量二維平面中整個流速場上的速度矢量?，F(xiàn)代二維p 1 v 已可以在一個切面上測得3 5 0 0 1 4 4 0 個點(diǎn)的瞬時速度向量，其精度約為 0 1 o - 1 ，與l d v 相當(dāng)，其物理測量容積分辨力也已與l d v 相當(dāng)，而且經(jīng)特 殊處理( 如采用顯微鏡頭) 還可以更好。更新的p i v 技術(shù)已有可避免固體粒子對 流體產(chǎn)生污染的白光氣泡巨像測速技術(shù)以及能夠揭示菲定常流動隨對闖發(fā)展特 性的粒子圖像電影測速技術(shù)。同時，p i v 速度場的測量技術(shù)逐步發(fā)展為一個流動 切面的瞬時三維速度場及其時間歷程測量( 如s p w ) 和一個流動空間的瞬時三維 速度場測量( r i p r v ) ，即p i v 技術(shù)將向數(shù)字p i v 和3 d p 的方向發(fā)展，并更加 實(shí)用化。 1 2 第1 章引言 1 5 本文主要研究內(nèi)容 為深入了解進(jìn)排氣門的流動性能，論文首先對氣閥的流量系數(shù)進(jìn)行理論研 究，并對由德國某汽車設(shè)計公司提供的氣缸蓋進(jìn)行空氣流量系數(shù)的試驗(yàn)研究， 主要工作包括一下幾點(diǎn)： 1 對氣閥流量系數(shù)及進(jìn)氣渦流比現(xiàn)有的理論及評價方法進(jìn)行研究。在已有氣閥 流量系數(shù)的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，采用新的模型對氣閥流量系數(shù)的定義進(jìn)行數(shù)學(xué) 推導(dǎo)。 2 對兩種穩(wěn)流試驗(yàn)臺進(jìn)行比較，采用壓氣式穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)，建立試驗(yàn)臺架，包括傳 感器的安裝，確定試驗(yàn)方法( 采用變壓差，變氣閥升程方法) ，通過l a b v i e w 軟件采集所需的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理計算，得到不同情況下進(jìn)排氣閥的流量 系數(shù)值。 3 將采用新模型、利用壓氣式穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)臺獲得的氣閥流量系數(shù)值與發(fā)動機(jī)生產(chǎn) 廠商所提供的進(jìn)排氣閻的流量系數(shù)值進(jìn)行比較，驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性及壓 氣式穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)的可行性。 4 對由于氣門重疊而引起的進(jìn)氣閥出流及排氣閥入流情況下的流量系數(shù)與正 常情況下進(jìn)氣閥入流和排氣閥出流時的流量系數(shù)進(jìn)行測量，進(jìn)行對比分析其 結(jié)果。 5 根據(jù)由變壓差，變氣闕升程方法試驗(yàn)得到的進(jìn)排氣閥流量系數(shù)曲線圖，了解 氣閥流量系數(shù)與氣閥前后壓差及氣閥升程之間的關(guān)系，研究氣閥流量系數(shù)特 性，給模擬計算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。 第2 章發(fā)動機(jī)氣門流動特性研究方法比較 第2 章發(fā)動機(jī)氣門流動特性研究方法比較 相對于微觀評價進(jìn)氣道能力的方法，如粒子示蹤激光測速法( p r v ) ，激光多 普勒測速法( l d a ) 等，國內(nèi)外還是普遍采用穩(wěn)流氣道試驗(yàn)臺，因?yàn)榉€(wěn)流氣道試 驗(yàn)臺具有測量簡單、便捷、費(fèi)用低以及適于批量檢測等特點(diǎn)。 因此，采用穩(wěn)流氣道試驗(yàn)臺通過測量氣閥流量系數(shù)和渦流比來評價迸氣道 優(yōu)劣的方法仍是比較簡便、實(shí)用和可靠的方法1 1 5 1 。同時，氣閥流量系數(shù)、渦流 比或滾流比等相關(guān)參數(shù)，可以為發(fā)動機(jī)運(yùn)行的計算機(jī)仿真模擬分析提供依據(jù)， 并可以為進(jìn)氣道分析改進(jìn)提供必要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 2 1 氣道穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)臺架 良好的充氣效率與迸、排氣系統(tǒng)地設(shè)計有著密切的聯(lián)系。而迸、排氣系統(tǒng) 本身的影響因素也很多，特別是進(jìn)、排氣道的造型設(shè)計、流動特性等。在換氣 過程中，氣道的壓力是波動的，不同時刻氣道的流動阻力也不一樣，另外，由 于換氣過程氣門作變速運(yùn)動，氣門開啟截面也不一致，因此流過氣道的氣流實(shí) 際上是不穩(wěn)定流動。在內(nèi)燃機(jī)臺架試驗(yàn)中測定瞬態(tài)流動特性較難1 1 6 而穩(wěn)態(tài)試 驗(yàn)就是將動態(tài)的換氣過程用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方法來模擬。 目前，為了評價進(jìn)氣道的優(yōu)劣及合理確定氣道的形狀、尺寸，通常是在實(shí) 驗(yàn)臺上進(jìn)行穩(wěn)定流動的模擬試驗(yàn)，測量進(jìn)氣渦流強(qiáng)度及氣道阻力，以此來評價 進(jìn)氣道的優(yōu)劣和確定進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)尺寸。用氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺測量氣道流動特性 的宏觀測量方法在國內(nèi)外許多研究和企事業(yè)單位都得到了廣泛的應(yīng)用一氣道穩(wěn) 流試驗(yàn)是在穩(wěn)壓流動的條件下測量缸內(nèi)進(jìn)氣渦流強(qiáng)度、迸氣道阻力特性的試驗(yàn)， 氣道穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)裝置是目前工業(yè)上最常用的綜合評價進(jìn)氣道流動特性的實(shí)驗(yàn)裝 置。氣道的穩(wěn)流試驗(yàn)具體應(yīng)用在“1 ： 1 ) 評估新設(shè)計的氣道的流動特性； 2 ) 比較氣道改變結(jié)構(gòu)參數(shù)后對流動特性的影響； 3 ) 生產(chǎn)線上對成品缸蓋的抽查檢測等。 2 1 1 吸氣式穩(wěn)流試驗(yàn)臺 目前使用的最普通的穩(wěn)流試驗(yàn)臺是吸氣式試驗(yàn)臺 1 7 1 。采用此試驗(yàn)方法可以 1 4 第2 章發(fā)動機(jī)氣門流動特性研究方法比較 方便的模擬氣缸內(nèi)負(fù)壓。以a v l 氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺為例，其裝置主要包括缸頭、渦 流計、模擬缸套、壓力計、穩(wěn)壓箱、流量計、抽風(fēng)機(jī)和旁通閥。氣道穩(wěn)流試驗(yàn) 臺結(jié)構(gòu)布置如圖2 1 所示。測量進(jìn)氣道時，離心高壓風(fēng)機(jī)提供給穩(wěn)壓箱一個固定 的負(fù)壓，從而使穩(wěn)壓箱和氣道進(jìn)氣口之間產(chǎn)生壓差，大氣中的空氣由進(jìn)氣道流 入，經(jīng)模擬缸套管、道、孔板流量計、穩(wěn)壓箱等排出到大氣中。氣道阻力由u 形 壓力計測量；空氣流量用孔板流量計測量；旋轉(zhuǎn)的氣流推動風(fēng)速計旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn) 數(shù)由光電式計數(shù)器測量，風(fēng)量由旁通閥來控制。 圖2 1 吸氣式穩(wěn)流模擬試驗(yàn)裝置 1 缸蓋2 模擬缸筒3 風(fēng)速計4 光電式計數(shù)器5 壓力計 6 孔板流量計7 穩(wěn)壓箱8 高壓離心風(fēng)機(jī)9 旁通閥 離心高壓風(fēng)機(jī)是氣道試驗(yàn)臺的動力部分，通過調(diào)節(jié)旁通閥的氣流通過面積， 可以保證試驗(yàn)臺所需的穩(wěn)壓箱內(nèi)氣體壓力。離心高壓風(fēng)機(jī)特點(diǎn)是風(fēng)壓高，流量 適中，可滿足內(nèi)燃機(jī)氣道穩(wěn)流試驗(yàn)需要。安裝時風(fēng)機(jī)入口與穩(wěn)壓箱連接，穩(wěn)壓 箱能夠減小氣體的波動損失，從而保證測量精度。 2 1 2 壓氣式穩(wěn)流試驗(yàn)臺 壓氣式穩(wěn)流試驗(yàn)臺與吸氣式穩(wěn)流試驗(yàn)臺采用類似的設(shè)備，壓氣式穩(wěn)流試驗(yàn) 臺直接通過空氣壓縮機(jī)通過氣閥來向缸內(nèi)吹氣，模擬發(fā)動機(jī)工作時進(jìn)氣時狀態(tài)。 為簡化試驗(yàn)臺設(shè)備，也可以省去穩(wěn)壓箱。 圖2 2 為提供空氣流量裝置示意圖，熱交換器可以將空氣保持在某一特定 第2 章發(fā)動機(jī)氣門流動特性研究方法比較 溫度值，空氣流量計可直接測得實(shí)際的空氣流量值，圖2 3 所示為柏林工大內(nèi) 燃機(jī)研究所的壓氣式穩(wěn)流試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)布置圖，該設(shè)備經(jīng)本人改裝作本論文試 驗(yàn)用。氣缸蓋被固定于支架上，提供空氣流量的裝置通過空氣導(dǎo)管可以分別連 接進(jìn)氣、排氣管路或模擬氣缸筒，向氣缸蓋提供所需的空氣流量。 1 ) 2 ) 進(jìn)氣 空氣流量計 圖2 2 提供空氣流量裝置 圖2 3 壓氣式穩(wěn)流模擬試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)布置圖 采用吸氣式穩(wěn)流試驗(yàn)臺主要有以下幾個優(yōu)點(diǎn)： 較好的模擬了發(fā)動機(jī)實(shí)際進(jìn)氣時的工作狀態(tài)； 通過安裝穩(wěn)壓筒，可獲得穩(wěn)定的空氣流，減小空氣波動，提高測量時的精 度； 1 6 第2 章發(fā)動機(jī)氣門流動特性研究方法比較 3 )試驗(yàn)方法簡單，便于操作。 采用壓氣式穩(wěn)流試驗(yàn)臺主要有以下幾個優(yōu)點(diǎn)： 1 )可以省去穩(wěn)壓筒，進(jìn)一步簡化試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)步驟； 2 )可以方便的供給各個方向的空氣流，為試驗(yàn)提供更大可能性。 論文需要測量進(jìn)排氣閥不同流向的流量系數(shù)值，所以將采用壓氣式穩(wěn)流試 驗(yàn)臺。 2 2 氣道評價方法 內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣道的流動阻力大小和產(chǎn)生進(jìn)氣渦流的強(qiáng)度是影響發(fā)動機(jī)燃燒和 性能的重要指標(biāo)。在實(shí)際發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣過程中，由于活塞和氣門均做變速運(yùn) 動，流過氣道的氣流實(shí)際上是不穩(wěn)定流動，兩者間不存在嚴(yán)格的相似性，但可 作為不同氣道間性能的相互比較方法。關(guān)鍵是如何把氣道穩(wěn)流試驗(yàn)的結(jié)果與實(shí) 際發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中的非穩(wěn)態(tài)流動很好的對應(yīng)起來，這就需要確定模擬試驗(yàn)條件和 選擇合適的評價參數(shù)，由于動態(tài)情況相當(dāng)復(fù)雜，至今國內(nèi)外既并沒有一個統(tǒng)一 的試驗(yàn)規(guī)范，也沒有一個統(tǒng)一的氣道性能評價指標(biāo)。 目前，一些世界著名的發(fā)動機(jī)研究機(jī)構(gòu)都形成了各自相應(yīng)的渦流計算模型 及流量評價方法。主要包括有r i c a r d o 方法、a v l 方法、f e v 方法。它們在 數(shù)據(jù)采集手段上統(tǒng)一使用相同的氣道穩(wěn)流試驗(yàn)方式，即在試驗(yàn)過程中始終使模 擬氣缸與大氣環(huán)境保持恒定的壓差，記錄下對應(yīng)于每個氣門升程下，氣體流量 和缸內(nèi)渦流( 滾流) 轉(zhuǎn)速( 渦流角動量) ，從而計算出渦流比和流量系數(shù)。 2 2 1 r i c a r d o 方法 r i c a r d o 方法用平均流量系數(shù)( 流過氣門閥座的實(shí)際空氣流率與理論空氣流 率之比) 和渦流比( 模擬氣缸中渦流旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速之比) 來表示 氣道的流體通過能力和渦流強(qiáng)度1 1 9 | 。其試驗(yàn)方法采用矩形葉片渦流計測量渦流， 葉片迎風(fēng)面與氣缸蓋的距離為一倍氣缸直徑，進(jìn)氣道壓差為2 5 4 千帕。r i c a r d o 方法主要用渦流比、平均流量系數(shù)、進(jìn)氣因素三個參數(shù)來表征氣道性能。 無量綱的流量系數(shù)。定為： g = 轟n a ( 2 1 ) r “ 1 7 第2 章發(fā)動機(jī)氣門流動特性研究方法比較 式中，口氣體流量( m 3 h ) ； ”進(jìn)氣門數(shù)； 理論進(jìn)氣速度或速度頭( m s ) ； 彳氣門座內(nèi)截面面積( m 2 ) 。 平均流量系數(shù)為： 五= 去了脅 a ，一位。： 式中，喁、_ 分別為氣門開啟和關(guān)閉的曲軸轉(zhuǎn)角( t a d ) 。 r i c m - d o 無量綱渦流強(qiáng)度m 為 虬= 南 式中，f 為轉(zhuǎn)矩( n m ) ； 口氣缸內(nèi)徑( 1 ：t ) ； m 質(zhì)量流量( g s ) ： r i c a r d o 渦流比為： 妒 街a 2 l dl c f n 蠢 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式中：q 為發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度( r a d s ) ； s 發(fā)動機(jī)行程( m ) ： q 、分別為氣門開啟和關(guān)閉的曲軸轉(zhuǎn)角( r o d ) ； 厶為發(fā)動機(jī)形狀因子，l d = b s ( n d 2l 。 r i c a r d o 在對流量系數(shù)和渦流比推導(dǎo)是基于以下的假設(shè)： 1 ) 從氣道進(jìn)入發(fā)動機(jī)以及在穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)臺上的氣體是不可壓縮和絕熱的； 2 ) 無論是在發(fā)動機(jī)中的瞬態(tài)工況或者是在穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)臺中的穩(wěn)態(tài)工況下，氣道都 具有相同的特性參數(shù)； 3 ) 發(fā)動機(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 ) 角動量都被保留7 下來，表面摩擦不影響渦流； 第2 章發(fā)動機(jī)氣門流動特性研究方法比較 5 ) 容積效率是1 0 0 ； 6 ) 在進(jìn)氣過程中，經(jīng)過氣道的壓降a p 是不變的： 7 ) 流入氣缸的運(yùn)動只出現(xiàn)在進(jìn)氣門開啟到關(guān)閉的區(qū)間，并從而流動速度取決于 氣門升程。 2 2 ：2f e v 方法 f e v 方法采用流量系數(shù)( 進(jìn)氣道的流通有效截面積與該發(fā)動機(jī)的活塞面積之 比和渦流比( 缸內(nèi)空氣旋轉(zhuǎn)的平均切向速度與氣缸內(nèi)空氣流動的平均軸向速度 之比) 來評價氣道的流通能力和渦流強(qiáng)度的大小。 f e v 方法假定進(jìn)氣過程為可壓縮的絕熱過程。試驗(yàn)結(jié)果采用發(fā)動機(jī)在9 0 最大氣門升程時流量系數(shù)和渦流比分比表征進(jìn)氣系統(tǒng)的平均流量系數(shù)和平均渦 流比。 流量系數(shù)定義為吼 o r k = 4 4 ( 2 5 ) 式中，4 為活塞頂面面積( 刪2 ) ； 4 為進(jìn)氣道氣閥流通有效截面積( 8 2 ) 。 渦流比 魯= 等r h b ( 2 6 ) e 2 q 式中，磚。為葉片旋轉(zhuǎn)中心半徑( m ) ，r n “0 7 3 b 2 。 2 2 3a v l 方法 a v l 試驗(yàn)方法采用啞鈴形葉片渦流計測量渦流，葉片迎風(fēng)面與氣缸蓋的距離 為1 7 5 倍氣缸直徑，進(jìn)氣道壓差為2 5 千帕，用流量系數(shù)、渦流比、平均渦流比 等參數(shù)來表征氣道性能1 2 0 1 。它假定內(nèi)燃機(jī)迸氣過程只發(fā)生在上止點(diǎn)與下止點(diǎn)之 間，進(jìn)氣流動過程取決于活塞排量的變化率，這樣在計算進(jìn)氣終了的渦流比時， 積分限取為0 萬。 a v l 定義流量系數(shù)為實(shí)際鍘得的質(zhì)量流量與理論流量之比， 仃= _ m o , n u l ( 2 7 ) 1 9 第2 章發(fā)動機(jī)氣門流動特性研究方法比較 平均流量系數(shù)( 盯) 。的計算考慮了活塞排量的變化率，從上止點(diǎn)到下止點(diǎn)的 曲軸轉(zhuǎn)角進(jìn)行積分。a v l 運(yùn)用了標(biāo)準(zhǔn)氣門升程曲線求出平均流量系數(shù)，這種標(biāo) 準(zhǔn)曲線假象的拋物線型，并不會用在發(fā)動機(jī)上，這樣計算為了方便同其它氣道 進(jìn)行比較。 ( 盯) m = ( 2 8 ) 式中，a 為曲軸轉(zhuǎn)角( r o d ) ； f ( 口) 為活塞瞬時速度( m s ) ： 為平均活塞速度( m s ) 。 渦流比定義為葉片旋轉(zhuǎn)速度與當(dāng)時狀態(tài)下假象發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速比： 艘= 叢 ( 2 9 ) = 竽= 慕 ( 2 1 0 ) a v l 還用標(biāo)準(zhǔn)渦流比類表示： 。 = 等一腳 ( 2 1 1 ) n 。是假定模擬氣缸內(nèi)穩(wěn)流狀態(tài)下氣流的平均軸向流速等于活塞平均速度 時，計算得到的假想發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。 a v l 方法流量系數(shù)和渦流比推導(dǎo)是基于以下的假設(shè)： 1 ) 氣道進(jìn)入發(fā)動機(jī)以及在穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)臺上的氣體是不可壓縮和絕熱的； 2 ) 發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)渦流為強(qiáng)迫渦流，即剛體渦流； 3 ) 在穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)臺氣缸中的軸向速度處處都是平均值； 4 ) 角動量都被保留了下來，表面摩擦不影響渦流； 5 ) 容積效率是1 0 0 ； 6 ) 氣流進(jìn)入氣缸的速度等于活塞運(yùn)動所造成氣缸體積的變化率。故流入氣缸的 運(yùn)動只出現(xiàn)在進(jìn)氣行程的上止點(diǎn)與下止點(diǎn)之間。 第2 章發(fā)動機(jī)氣門流動特性研究方法比較 2 2 4v k m 方法 如前文所述，氣閥流量系數(shù)是用來描述在進(jìn)排氣過程中總的氣體損失的參 數(shù)。在柏林工大內(nèi)燃機(jī)研究所氣閥流量系數(shù)定義與a v l 方法類似，定義為流過 氣閥的實(shí)際空氣流量率與理論空氣流量率之比。式( 2 1 2 ) 是氣閥流量系數(shù)的 數(shù)學(xué)定義式： 口：里絲( 2 1 2 ) 廊埔卯 式中實(shí)際空氣流量率廊，。將通過穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)直接測得，毋喃哪由數(shù)學(xué)計算獲得。 相關(guān)的推導(dǎo)計算將在論文第3 章中詳細(xì)闡述。 2 2 5 本章小結(jié) 通過對兩種穩(wěn)流試驗(yàn)臺的比較不難發(fā)現(xiàn)，壓氣式穩(wěn)流試驗(yàn)臺相對結(jié)構(gòu)更加 簡單，便于操作，而且通過空氣壓縮機(jī)可以獲得不同方向的空氣流量，為試驗(yàn) 提供更大操作的空間。 流動特性評價方法不同，所得到結(jié)論也不同，所以對流量系數(shù)的定義是評 價進(jìn)排氣門流動特性的關(guān)鍵。不同研究所采用不同的方法來定義流量系數(shù)和渦 流比，都有其各自不同的側(cè)重點(diǎn)，評價方法各有優(yōu)點(diǎn)，都被廣泛采用。如在國內(nèi) 廣泛使用的r i c a r d o 方法，其測量所得的流量系數(shù)只能用于評價氣道本身性能的 優(yōu)劣，而不反映該氣道與發(fā)動機(jī)缸徑是否匹配良好；對于德國f e v 方法