进气道对火花点火发动机性能影响的试验研究

$
$# !
试验结果与分析
新进气道设计方案及试验结果 图 ! 表示了原进气道和新进气道 % 4 & 的结构
示意图。新进气道 %、 !、 $ 在原进气道的基础上将气 道出口处圆滑过渡修改为直线过渡，强行限制出口 处的气体流动方向， 以使缸内形成较强的滚流； 在新 进气道 $、 减小了原气道内侧凹面的曲度， 降 2、 & 中， 低了气道的流动阻力， 新进气道 2、 & 已趋向直进气 道；在新进气道 $、& 中，使用了扩大的气门和气门 座， 增大进气流量。此外， 新进气道的设计仍保证了 管道和截面间的变化平缓， 不存在突扩、 突缩的情况 等。表 ! 列出了在稳流试验台上对原进气道和新进 气道的测试结果。
+,-.* /,(0&1 23’)45 6)3.7,809 :-)(4 ; .<3.’50 53<.359 =5(7,(6)3*59 >775*’ 主题词： 进气歧管 火花点火发动机 性能 影响 中图分类号： T’$’P #*’ U P ’ 文献标识码： Q 文章编号： #""" 9 *+"* : !""# ; "$ 9 ""!# 9 "’ 总体强度，也可以实现快速燃烧过程。为了组织 ()*+$, 汽油机缸内的空气运动和改善发动机性能， 设计了新型气道， 通过稳流试验台的测试， 详细地对 比了原进气道和新进气道的流动特性，分析了新气 道结构对涡流、 滚流和进气流量的影响， 并对新缸盖 发动机的工作特性进行了试验。 结果显示， 新缸盖发 动机在使用燃油电控喷射方式下，最大扭矩和最大 功率输出比原化油器式发动机都有较大提高，并降 低了最低燃油消耗率。
#
!! !%
! #$’(. ! " ［ #$. ! ］ !%
#
!!
式中， %& 为发动机形状因数； ’" 为无因次涡流比； #$ 为每个气门升程下的气体体积流量；!% 、!! 为曲 轴转角。滚流比 !) 采用文献 1 2 3 的计算方法。
图! — !!—
原进气道和新进气道结构示意图 汽 车 技 术
・试验・测试・
流量系数 !" "& ’"( "& %)$ "& %)* "& ’#+ "& ’#! "& ’%"
从表 ! 中可以看出， 由于新进气道 #、 !、 % 的出 口处已改为直线形状， 因此， 它们的涡流比和滚流比 扩大了出口面 较原气道都有所增大； 在新气道 % 中， 积使流量系数也得到提高； 而新气道 #、 ! 随涡流和 滚流增大其流量系数受到影响而降低；新气道 ’、( 尤其表现了涡流比、滚流比和流量系数三个参数对 气道整体弯曲度的敏感性；新气道 ( 的流动特性达 到了理想的效果。 图 % , 图 ( 是各个气门升程所对应的 #$、#% 和 图 % 中， 原气道和新气道 % 的 #& 曲线 !" 函数曲线。 在升程为 ( -- 后迅速下降，说明使用弯曲度较大 的气道和利用燃烧室壁面的屏蔽作用，随着气门升 程加大对气流的影响作用会逐步变小，导致缸内的 涡流减弱。 图 ’ 较离散的曲线说明， 缸内的滚流强度 敏感地受到气道出口气流大小、气流方向和随气门 开启气流集中程度的影响。原气道的函数曲线与新 气道 ( 明显不同，说明原气道的结构显然不利于形 成缸内的滚流。图 ( 的数据指出新气道 ( 的流量系 数较大， 使用新气道 ( 可以获得较大的流量。 综合以 上试验结果，选用新气道 ( 的设计方案作为新发动 机成品缸盖进气道的结构。对成品缸盖的气道性能 进行了稳流测试，在带进气管和不带进气管的情况 下， 与原发动机缸盖进行了对比， 三缸各自的流量系 数、 涡流比、 滚流比及其平均值列于表 %。
稳流试验台 对进气道性能的评价，通常是利用气道的稳流
图% 测量涡流和滚流的气道稳流试验台
试验进行，在稳流试验中性能良好的气道，通常在 实际发动机中也具有较好的工作特性。图 % 为稳流 试验台示意图。稳流试验台采用叶片式风速仪测量 缸内涡流或滚流的转速。在放置被测缸盖的试验台 头部是可以互相替换的两个部件，分别用来测量涡 流和滚流。叶片风速仪固定在同一位置不变。各气 门升程下的气体流量、叶片转速、缸内压差等参数 由计算机自动采集，用 )*+,-./ 方法计算涡流比 !" ’$。 和平均流量系数# ! " 0 %&
带进气管 无进气管
图( 表"
各气道流量曲线
发动机成品缸盖进气道的流动特性 流量系数 涡流比 !" #缸 "& %++ "& %++ "& %++ "& %++ "& %)$ "& ’"# "& ’"# "& %)) "& %’( "& %(! "& %’) "& %’) "& %*" "& %$$ "& %$% "& %$$ ( !缸 %缸 平均值 #缸 ’$ "& (#" "& *%" "& $+$ "& $’! "& *’$ "& +#+ "& +*) "& +#’ "& %%* "& ()# "& $+$ "& (%+ "& $"+ "& $!# "& $%" "& $!" #( 滚流比 ’% "& %%* "& (#" "& (!# "& ’($ "& )#" #& #"’ #& #%" #& "’+ "& !*’ "& ’!" "& %+( "& %$" "& )!’ #& "#’ #& "$$ #& ""# #*+
!
前言
发动机进气道流动特性的优化，可以增加燃烧
室中的湍流强度， 提高火焰传播速度和燃烧速率， 缩 短燃烧持续期，从而提高发动机的动力性和经济 性。这是降低经济成本的有效方法之一， 同时， 还可 以实现部分负荷工况下的稀燃过程，改善发动机排 放性能。 提高缸内的湍流强度一般采用在进气过程引入 较强的涡流和滚流。滚流的形成是依靠缸壁和活塞 运动的结果， 滚流进气道一般采用切向气道的形式， 相比螺旋气道对气流的阻力要小，增大滚流的同时 可以维持一定的进气流量。由于滚流在进气过程中 可以维持较大的动能， 在压缩过程中得到保存， 最后 经过破碎形成小尺度的涡，使湍流强度得到加强。 而涡流一般只经历着不断衰减的过程，因此滚流的 作用优于涡流 % # & 。 在火花点火式发动机中， 滚流越来 越受到重视。 ’ 气门火花点火式发动机是利用缸内的滚流模 式来改善燃烧过程的。现代 ! 气门火花点火式发动 机增强燃烧室中的湍流强度是依靠缸内空气运动的 涡流、滚流和挤流的共同作用实现的。涡流与滚流 强度大小的比值， 一般因发动机而异 。 同时提高进
・试验・测试・
进气道对火花点火发动机 性 能 影 响 的 试 验 研 究
天津大学 许振忠
肖浩栋
刘书亮
刘德新
李玉峰
【 $%&’()*’】=8>6?@A78B CD? CE.FG? @8H AI76G AC6?8BCD 78 CD? >JG78H?6 KL AM@63 9 7B87C?H ?8B78? >@8 78>6?@A? CD? CE6FEG?8>? 78C?8A7CJ 78 >K.FEAC7K8 >D@.F?6N AM??H EM CD? LG@.? M6KM@B@C7K8 @8H 78>6?@A? >K.FEAC7K8 6@C?N 7.M6KO? >K.FEAC7K8 M6K>?AA @8H 78>6?@A? CD? ?8B78? MKI?6P Q 8?I 78C@3? MK6C 7A H?A7B8?H LK6 CD? CIK 9 O@GO? ()*+$, B@AKG78? ?8B78?P (D? AC?@HJ LGKI C?AC 78H7>@C?H CD@C CD? AI76G 6@C7KN CE.FG? 6@C7K @8H LGKI >K?LL7>7?8C KL CD? 8?I 78C@3? MK6C @6? .K6? AEM?67K6 CK CDKA? KL 67B78@G K8?P (D? LGKI >D@6@>C?67AC7> KL 78C@3? AJAC?. 7A 7.M6KO?H @8H CD? .@RP ?8B78? CK6SE? @8H .@RP ?8B78? MKI?6 @6? 78>6?@A?HP 【 摘要 】 提高火花点火发动机缸内空气运动的滚流与涡流强度， 可以增加燃烧室中的湍流强度， 加快火焰传播速 度和燃烧速率， 从而改善燃烧过程， 提高发动机的动力性。通过对 ! 气门 ()*+$, 汽油发动机进行试验， 设计了新型 进气道。 稳流试验台检测表明， 所设计的新气道涡流比、 滚流比和流量系数比原气道都有较大提高， 进气系统的流动 特性得到改善， 提高了发动机的最大扭矩和最大功率输出。
表! 进气道方案 原进气道 新进气道 # 新进气道 ! 新进气道 % 新进气道 ’ 新进气道 ( 各进气道稳流试验结果 涡流比 "& ()( "& $%" "& $*! "& +"" "& +%! "& )#$ 滚流比 "& ’)! "& (!( "& $’! "& $+) "& +#" #& #!% 图’ 各气道滚流比曲线
参 考 文 献
图3
速度特性曲线
)
-@EFG/C01H I JK CL ; 5G/DL01M /FK0F1 N - /JEOC10H/ PF@ KG@DGLJ1EJ J1OC1EJ/J1K 01 HQC@> 0M10K0F1 J1M01J; .-R QCQJ@ 8$$$3$
— !#—
气涡流比、 滚流比和流量系数， 增加缸内斜轴涡流的
!""# 年 第$期
・试验・测试・ 进的数据。
表! 改进部位 原进气系统 新气道 $、 & 进气系统的改进 气门座与气门 $& $’ 进气门直径 " ## $’ $( 进气道出口 $% $!
截面直径 " ## 接触面最大直径 " ##
"# "
&
结论
从新缸盖发动机的试验研究中得到以下结论：
新设计的进气道改善了进气系统的流动 C; 特性。滚流比、 涡流比和流量系数的提高， 增加了燃 烧室中的湍流强度，提高了火焰传播速度和燃烧速 率， 缩短了燃烧持续期， 从而提高了发动机的动力性 和经济性； 采用进气道电控燃油喷射系统可以提高 D; 燃油雾化程度和精确控制空燃比，有利于保证发动 机的动力输出和改善排放性能。 优化进气系统以提高发动机性能是最经 E; 济有效的途径之一。
物理量
原缸盖
新缸盖
!缸 %缸 平均值 #缸
原缸盖
!缸 %缸 平均值 #缸
新缸盖
!缸 %缸 平均值
新缸盖较原缸盖增加百分比 . !
从对成品缸盖的试验结果可以看出，新成品缸 盖进气道的流动特性已有较大的改善。考虑到稳流 试验是采用叶片风速仪的方法测量涡流转速，其结 果要比实际流动小 %" ! 左右。因此， 实际发动机缸 内的涡流比和滚流比应为 "& +) 和 #& ’% 左右。可以 看出新缸盖发动机缸内的空气运动表现为一个强滚
!""# 年 第$期 — !%—
图%
各气道涡流比曲线
・试验・测试・ 流、弱涡流的斜轴涡流，滚流与涡流强度的比约为 )< 3:，此时计算的斜轴涡流轴线与气缸轴线的夹角 约为 ,)< : =。 #$ % 发动机试验结果与分析 对气道改进后的新缸盖发动机进行了工作性能 试验，试验中采用了进气道电控燃油喷射方式。图 图 9 是试验发动机的特性曲线。 3、 功率达到 ", >? * 3 $$$ @ ・ /01 A ) ，最大扭矩为 :! B・/ * , ,2$ @・/01 A ) 。
%!&
"Baidu Nhomakorabea
"# !
试验装置
试验发动机 发动机型 ()*+$, 试验发动机是 ! 气门汽油机，
式为 * 缸， 直列水冷式， 顶置凸轮轴， 缸径 ’ 冲程， 行程：+$ .. - +* ..，压缩比为 /0 1，排量为 //* 最大功率为 *+0 1 34 5 1 $"" 6・.78 9 # : ’# 34 5 $ .2； """ 6 ・ .78 9 # ; ，最大扭矩为 +’0 " < ・ . 5 * !"" 6 ・ .78 9 # : +/ <・ . 5 * $"" 6・ .78 9 # ; 。燃烧室结构是多 球面篷顶式， 平顶活塞。 对实际发动机燃烧室进行测 定， 挤流面积与活塞顶面面积之比为 *+ ! ， 比文献 % * & 推荐值略高， 即挤流作用是明显的。试验中重新 设计了进气道， 但未对挤流面积进行改动。 进气系统 的改进包括扩大了气门和气门座直径，增加进气面 积， 以减小气道阻力带来的影响。 表 # 是进气系统改