【doc】内燃机缸内稳态斜轴涡流特性研究

内燃机缸内稳态斜轴涡流特性研究
8卷(2O00)第3期内燃机
TransactJons0fCSICE
文章编号:lo.0—0909(2000)03827904
内燃机缸内稳态斜轴涡流特性研究
,,1
李树珉?安相璧?关立哲?志刚,吴良勤,王永穗
(天津军事交通学院汽车工程系,天津300l61)
180060
一
姒
………………删…髓…………流
试验数据为源数据,推导了缸内斜轴涡流特性参数的计算公式;/~-~J用这些公式计算了CA1l02发动机
两种缸盖的斜轴涡流特性.结果表明,进气门后方具有较大挤气区域的缸盖具有较强的产生缸内斜轴涡
引言
缸内气体斜轴涡流运动是指旋转轴线与气缸轴线
之间,夹角在0.～90.之间的宏观旋流运动,其具有涡
流和滚流两种运动成分,所以它对发动机燃烧过程和
性能的影响既不同于涡流运动,也不同于滚流运动.而
是两种运动对发动机燃烧过程和眭能影响的综合一
般情况下,滚流运动可以提高发动机燃烧过程预燃期
和主燃期的燃烧速率.涡流运动可以提高后燃期的燃
烧速率;另外,在多气门发动机中可以通过改变斜轴涡
流的倾角来优化气体流动,改善发动机的性能..所
以.只要斜轴涡流运动的一些参数合理匹配,它是可以用来改善整个燃烧过程的,从而更好地提高发动机的工作性能.
斜轴涡流特性及其与燃烧过程关系的研究始于
90年代初斜轴涡流的概念最早由Kent等人提出.
i990年,FurunoS利用外置式滚流测量方案测量所
得的滚流试验数据及涡流试验数据进行了缸内气体斜轴涡流运动特性参数的合成计算,发现斜轴涡流倾角在30.～45.之间时,发动机工作时燃烧室中的紊流强度最高.但是由于外置式滚流测量方案不能正确反应缸内气体滚流运动外廓的实际形状,同时也没有考虑滚流运动的旋转矢量方向0],故由此而得的斜轴涡流特性参数也是不确切的.1997年,文献[4]研究了进气
门出口流场对缸内斜轴涡流特性的影响,分析了水平气道和斜气道产生斜轴涡流运动的不同之处.利用进气门出口流场分析缸内气体的斜轴涡流运动在准确性方面具有明显的优点,但是进气门出口流场的测定工作却是十分复杂的.
基于以上分析,本文提出了分析缸内斜轴涡流特
性的等角动量方法,该方法以内置式的稳态滚流测量方案所得的滚流试验数据和稳态涡流试验数据为源数据,以角动量的物理合成理论为依据,对缸内气体的斜轴涡流特性参数(无因次斜轴涡流比及倾角,进气终了斜轴涡流比及倾角)进行了计算.计算过程中,缸内气
体的斜轴涡流运动仍然假设为刚体运动.采用该方法计算缸内斜轴涡流特性参数,具有试验设备简单,试验工作量小和试验结果更加接近实际的特点.
1计算方法推导
1.1定义
无因次斜轴涡流比是指稳态试验时一定气门升程
下缸内气体斜轴涡流角速度乘以气缸直径(D)之后与
试验用速度头()的比值,用Ⅳc表示;无因次斜轴涡
流倾角是指相应的斜轴涡流旋转轴线与气缸轴线之间
的夹角,用表示;进气终了斜轴涡流比是指进气门
关闭时缸内气体的斜轴涡流转速与发动机曲轴转速的
比值,用JR表示;进气终了斜轴涡流倾角是指进气终
了斜轴涡流倾角与气缸轴线之间的夹角,用仇表示.
在试验研究中,由于涡流和滚流采用了不同的刚
体假设,其中涡流为柱状剐体假设,滚流为球状刚体假
设,这两种刚体的转动惯量不同.所以,缸内气体的斜
轴涡流转速不能由涡流和滚流转速的简单合成得到,
而必须通过涡流和滚流运动角动量的矢量合成得到.
收辅日期:1999.8—2j:修订日期:1999iiClo,
作者简介:刘伍扳(1973一),男.博士研究生.主要研究方向为内燃机缸内气件藏动及工作程控制理论
280?内燃机第18卷第3期
即将缸内斜轴涡流的角动量看成是涡流和滚流角动量
的合成,其中,滚流是确定了旋转矢量方向的运动本
文将这种通过角动量的合成对缸内斜轴涡流特性进行
研究的方法称做等角动量法
1.2参数计算方法
由于无因次涡流比,滚流比在速度头和气缸结构
一
定时只与涡流,滚流的转速有关,进气终了涡流,滚
流和斜轴涡流的转速与发动机的转速成正比.所计
算中所需的涡流,蒗流的角动量都可以很方便地得到
另外,在利用稳态试验结果求解缸内涡流,滚流特性时,一般假设涡流,滚流为刚体旋转运动本文在计算
过程中,也假设涡流,滚流和斜轴涡流运动为刚体运动.且刚体密度均匀分布,同时假设全部进气充量都参与各刚体运动,即进行涡流运动计算时,进气充量全部集中在柱状刚体上;当进行滚流运动计算时.进气充量全部集中在球状刚体上;当进行斜轴涡流运动计算时. 进气充量垒部集中在斜轴刚体上计算方法推导过程如下.
直径为气缸直径的球状柱状刚俸对自身轴线的
转动惯量分别按下式进行计算:
01
J=÷Mr;=MD.(1)』u
1]
一
÷Ⅳ砖=寺MD.(2)￡O
式中;M为球状刚体的质量;,,D分别为气缸的半径,
直径
如图1所示,缸内斜轴刚体可以分为2个圆锥体
(图中匕上y表示),1个圆桶体(图中以表示)3部分一其中2个圆锥体的形状相同,体积相等;图中的p即为斜轴涡流的倾角,计算无园次斜轴涡流特性时,竹
代替,计算进气终了斜轴涡流特性时,以诈代替.因此,缸内斜轴刚体的转动惯量可以看作这3部分的转图1缸内斜轴涡流示意图
Fig.1Schematicdiagramofjn—cylinder
IRclinedswirI
动惯量之和,
J:2J+l,(3j
式中:J为圆锥体对轴线的转动惯量;J为圆桶体对轴线的转动惯量.
相应地.斜轴刚体的体积,质量也可分为3部分. 分别按下式进行计算:
V一2V+V(4)
M:2M一(5)
式中:V,M为斜轴刚体的体积,质量;V,为圆锥
体部分的体积,质量;..为圆桶体部分的体积,质
量圆锥体圆桶体的体积为
.一
号吲sin一一2sin—sj(6)
一
4
.3sin(7j
将式(6)和式(7)代人式(4)得
詈:+(8j
圆锥体,圆桶体的质量分别为
Ⅳ=z一一c.,
.Ⅵi=VM一
静㈣)
式中:M:为两圆锥体的质量之和
圆锥体,圆桶体的转动惯量为
-,=z=r:Ⅳ.一2c
l,=i3rl一{sjM
一_
2ri2--c
,
os:~o--cos4VM(12)
一i1一sm
式中:r为圆锥体的底圆半径.
将式(11),式(12)代入式(3)得
L,』;堂f1:{)J一而一——彳一Ⅵu
无因次斜轴涡流的倾角为
ran:…
式中;Ns,Ⅳ为由稳态试验所得的无因次涡流比,滚
流比
将式(1).式(2)代人式(14)得
tan一.
N
X;-(15)一百'
-一arctan
{?NTjics..ctl'sJl
根据角动量的矢量合成原理可以列出如下方程: tl,Ⅳ『V/D)一√(JⅣTV./D)+(NsV/D).
解E方程得
刘伍权等:内燃机缸内稳态斜轴涡流特性研究?281? Ⅳ.一!二苎;(17)
将式【1),式(2)和式(13)代人式(17)得
㈣
类似地,可以推出进气终了的斜轴涡流倾角和斜轴涡流比的计算公式
仕一a—an鲁?RTc.
蔫㈣,
式中:尺,尺为由Ricardo方法计算所得的进气终了
涡流比,滚流比
2计算结果讨论
2.1计算对象
本文采用的是CAll02发动机的2种缸盖,燃烧
室的结构布局如图2所示.这2种缸盖的气道截面形状,布置形式都相同.两者皆为方形截面,水平布置方式,不同之处在于1号缸盖燃烧室中进气门后方挤气区域的面积要大于2号缸盖,它将对进气流起导流
jl\\
㈠
\\j/,\,\/\/
/
)1号缸盖燃烧宣
围22种缸盖的燃烧室结构布局
Fig.2Structureofcombustion—than ofthetwocvlInder—heads
作用
2.2计算结果讨论
图3是2种缸盖的无因次斜轴涡流比随气门升程
的变化情况.从图中可以清楚看出,1号缸盖的无因次斜轴涡流比在全升程范围内都要比2号缸盖大,在无因次气门升程大于0.15之后,1号缸盖的无因次斜轴涡流比比2号缸盖的要高出2倍多,这说明1号缸盖具有较强的产生缸内斜轴涡流运动的能力,同时也说明进气门后方挤气区域对产生缸内斜轴涡流运动是有重要意义的.另外,从图上还可以看出,1号缸盖的无
因次斜轴涡流比是随气门升程的增加而增加的;而2 号缸盖的无因次斜轴涡流比在全升程范围内的变化规律不明显,这是由于2号缸盖进气门后方挤气区域过小,失去了一定的导流作用所致.
丑
避
雀
璃
兰
围32种缸盖的无因次斜轴涡流比
Fig.3Non-dimensionalinclinedswirlratio ofthetwocylinder—heads
图4是2种缸盖的无因次斜轴涡流倾角随气门升
程的变化情况.从图中可以看出,在气门升程较大时,
1号缸盖的斜轴涡流倾角基本处于5O.附近,具有较好的稳定性;在气门升程较小时,l号缸盖的无因次涡流倾角基本等于0.,这说明当气门升程较小时,它所产
生的斜轴涡流以涡流成分为主,甚至只是涡流运动.在气门升程较小时,2号缸盖无因次斜轴涡流倾角最大达7O.,这说明在这一升程状态下,2号缸盖所产生的斜轴涡流运动运动以滚流运动为主;在气门升程较大时,2号缸盖的无因次斜轴涡流倾角快速下降到只有lO左右,此时缸内斜轴涡流运动的成分以涡流运动为主无因次斜轴涡流倾角随气门升程的变化说明了缸内气体运动形态的不稳定性,它会随气门升程的变化而有不同的形态.但是,相比较而言,1号缸盖所产生
的斜轴涡流具有较好的形态稳定性,因为2号缸盖的无因次斜轴涡流倾角在无因次气门升程大于0.13后的变化率要明显大于1号缸盖.2种缸盖的这种差异说明进气门后方的挤气区域对产生稳定形态的缸内斜
282内燃机第18卷第3期
轴涡流是有利的.
围42种缸盖的无园次斜轴祸流倾角
Fig.4Non—dimensionalInclinationangleofinclined swirlofthetwocyllnder-heads
表1给出了2种缸盖进气终了的斜轴涡流比和斜
轴涡流倾角,从表中可以看出1号缸盖进气终了斜轴涡流比比2号缸盖高出近2倍,这进一步说明进气门后方的挤气区域对形成缸内斜轴涡流运动有重要影响.另外,两者进气终了斜轴涡流倾角也有较大的差异,1号缸盖进气终了涡流与滚流角动量几乎相等;而2号缸盖的斜轴涡流成分则以涡流为主.
裹l进气终了特性参数
Tab.1Parametersofinclinedswirl attheendofintakestroke
I斜轴涡流比斜轴据流倾角,()
1号缸盖1.68843
2J.?634I28.8
3结论
(1等角动量法考虑了缸内气体宏观运动的外
廓形状以及滚流运动的旋转矢量方向,利用该方法研究缸内斜轴涡流特性具有原理清晰,更加接近缸内气体运动实际的特点.
(2)由于进气门后方挤气区域对进气流具有导
流作用,其对形成缸内斜轴涡流运动具有重要的意义. 进气道结构相同,挤气区域面积较大的缸盖更易形成缸内斜轴涡流运动.
(3)进气门后方挤气区域对斜轴涡流形态的稳
定也具有较重要的影响挤气区域面积较大的缸盖更易形成稳定形态的斜轴涡流运动
参考文献
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LIUWu-quan,LIURui-lin,UShu-min,ANXiang-bi,GUANLi—zhe,
LIUZhi-gangWULiang—qin,WANGY ong—de
(Dept.ofAutomotiveEngineeringtTianjinInstituteofTraffic,Tianjin300161)
Abstract
Accordingtotheangulart~lO[Tlen[umsynthesizingtheory?checalculatingformulasofcha racteristicpa rametersofinclinedswirlweredevelopedfromthesteadytumbledatafromlaid—intumble ——measuringdevice
andsteadyswirldata.InclinedswirlsoftwocylinderheadsofCA1102enginewerecomputed withthesefor—
mulas.TheresultsindicatethatthecylinderheadwithIargersquashareacanproducestrongeri nelinedswir[ andtheoutlineshapeofinclinedswirIissteadierTheanalysisshowsthattheresultsarefromch annelingef
fectofsquashareabehindintakevalveonintakeflow.
Keywords:SynthesizingofangularmomentumIInclinedswirl~Channelingeffect。