内燃机气道稳流试验评价方法

38
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。
39
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 设与实际情况的差别如何呢？
43
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。
7
1. 标准气道
通道,
入口端
3. 偏心
2. 倾斜1 螺旋 部分
4. 倾斜2
8
3. 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LDA, 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
到风机
23
旁通
31357
流量系数
流量系数
流通能力：
. = .m
mth
将流量系数与气缸面积关联起来
=
z
dv2 D2
.
mth
=z
dv2 4
2p
z ... 气阀数目 dv ... 内座圈直径 D ... 汽缸直径
平均流量系数
p ... 压降
.
m
...
测得的质量流率
c() . 实际的活塞速度
()m =
内燃机气道稳流试验评价方法的 比较
--气道技术--
1
内燃机燃烧
油
气
混合气
燃烧
能
环
源
动力性 经济性 排放特性 境
32
1.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，
3
4
5
6
直喷柴油机及其螺旋 进气道
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程。
17
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
–αk和Cu/Ca来评价气道的流通能力和涡流强度 [5]。其中
15
在发动机额定转速下
平均进气速度 Z 音速 平均流量系数
16
Ricardo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）。
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,
V0
2 • P
P –进气道前后压差。
13
无量纲涡流强度 NR—不同气门升程下的涡流强度; NR=RB/ V0
R 是叶片转速, R 是气缸半径;
可以推导出来：
RS
LD
•
2 1
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程。
36
bar
p恒值
IO TDC
进气门开启区间
BDC
图3 发动机进排气过程缸内压力--低压示功图
18
a) 涡流测量
b) 滚流测量
用叶片风速仪的方法测量涡流或滚流（ FEV）
19
评价方法2：FEV 法
FEV 分别用 K 和Cu/Ca 来评价进气道通过气流 的能力和涡流强度。
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， 缸面积的比值
K
是进气道的有效流通面积与气
20
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
C
F
N
R
d
2 1
C
F
d
2
,
LD
B•S n• D2
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
CFm
1
2 1
2 1
C
F
d
14
定义1：涡流比和滚流比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）
IC
37
如所周知，进气过程经过气道的压降p是由内燃机的低压 示功图决定的，典型的低压示功图如图3所示[9]。史绍熙等 人的实验结果也大致如此，如图4所示[10]
p pmax
p恒值假设
TDC 进气门开
进气门开启区间
BDC
进气门关
图4 进气过程缸内压力p /pmax的变化曲线[7]
1，实测p /pmax，2，计算值，3，气门升程曲线
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
9
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
21
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
.
wenku.baidu.com
cm
=
sn 30
= ca =
m FK
.
n = 30 m s FK
涡流比:
nD n
=
nD .Vh 30m
标准化的涡流比:
(
nD n
)
red
=
nD n
D s
nD ... 风速仪转速 [min-1]
n ... 发动机转速 [min-1]
. m
... 质量流率
s ... 发动机行程
FK ... 活塞面积 Vh ... 气缸排量 c().. 实际活塞速度 ... 空气密度 = const.
14
hv mm
某四气门柴油机进气道流动性能的FEV涡流比
34
35
Ricardo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
涡流动量计/ 叶片风速仪 = 1.43
•各种气道所得 涡流比值的：
涡流比-叶片风速仪
回归分析线 31
稳流试验结果 排气道性能： ()m=0.426
撞击（Bump）--引起气流分离
32
Ricardo Cf, Nr
Cf Nr
0.55
0.50
0.45
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
44
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。
... 曲轴转角
指数 m ... 平均 ...
平均涡流比：(
nD n
)
m
=
1
0
nD n
(
c () cm
)2
d
27
31361
稳流试验结果
.7
.6
.5
.4
4
流量系数
hv max
标准化涡流比
(nD / n)red
.3
3
.2
2
.1
(nD/n)red
1
0
0
0 .04 .08 .12 .16 .20 .24 .28 .32 .36 .40
0.05
2
4
6
8
10
12
14
hv mm
国内某四气门柴油机进气道流动性能的Ricardo结果 33
还有其他形 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。
FEV CUCA
CUCA
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
2
4
6
8
10
12
Ricardo评价法 FEV评价法 AVL评价法 SwRI评价法
10
11
气缸盖 涡旋转换器 试验台面
滚流测量
气道压差传感器
气门升程传感器
数据采 集
动量计
扭矩传感 器
流量计
计算机
图5 气道稳流试验台结构简图
风机
3
12
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
气道结果
标准化涡流比
叶片风速仪
2.0
1.5
涡流动量计 / 叶片风速仪 = 1.87
1.0 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
标准化涡流比
（涡流动量计）
29
60747
4-气门, AVL 切向气道
单次测量, 涡流比 – 叶片风速仪 – 涡流动量计
4
气道结果
3
标准化涡流比
叶片风速仪
2
统计回归线
1
涡流动量计 / 叶片风速仪 = 1.75
0
0
1
2
3
4
5
6
78
标准化涡流比
（涡流动量计）
30
60748
Ricardo
Ricardo方法
Swirl Ratio-Impulse Swirl Meter -
对比涡流动量
涡
计和叶片风速
流 比
仪 结果：
涡 流
•螺旋气道
动
量 计
•切向气道
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
22
气道的设计与开发-实验装置
气缸盖-
. Pa m
Ta
气缸套
a
1.75D 2.5D 叶片风速仪叶轮
叶片风速仪
nD
. m 稳压箱
电子计数器 叶轮转速
p p1 p2
. m Tank
涡流动量计
} D
1.75 D
Tank
锐孔板或 质量流量测量装置
40
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
(c( ) )2
(•涡流比•d )
cm
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。
41
F
(
c(
1
1
(
c () cm
)3
1 ()2
d
... 曲轴转角 ... 空气密度 指数 m ... 平均 ...
0
24
31360
气门座内径的定义
=
z
dv2 D2
ß = z(dv/D)²
25
60874
26
涡流比，平均涡流比，叶片风速仪
令: 汽缸内平均轴向速度 ca 与活塞平均速度 cm相等，我们就可得到发动机的转速n:
hv / dv
实验编号: 1
进, 气道
dv, Swirl reduced mean mean no., Swirl no., flow flow coeff., capa2c8ity
60871
4-气门, AVL 螺旋气道
单次测量, 涡流比 – 叶片风速仪 – 涡流动量计
3.5
3.0
统计回归线
2.5
cm
)
)
1.0 2
0.9
0.8
0.7
(c(alfa)/cm)**2
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0 0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
进气过程进 气C过A程 CA
42
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。