气道相关知识

气道产生的形状偏差原因
沙芯制作和铸造过程：倾斜, 胀大
机械加工：偏心，倾斜
37
本研究之目的
用一些机构来模拟不同的偏差
在稳流试验台上检测气道的流动性能
证实这些误差和偏差是如何影响气道的流动 特性的 这些误差和偏差能影响气道的流动特性到何 种程度 寻求改进产品制造精度的方法，确保获得良 好的发动机性能
Cu=2NSRFL 式中: NS –叶片转速 [r/s], RFL –叶片转动中心的半径 RFL=0.73B/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
29
AVL气道稳流评价方法
单个气门升程下流量系数与Ricardo相同 单个气门升程下AVL定义各气门升程下 都有涡流比 Nt =(nt Vs)/(30Q)
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气道入 口端
出口端
3
左 入口端
5
4
2
斜率 1:50 出口端
1
定位孔 右
6 7 8
图1 倾斜进气道
出口端 入口端
10
9
11 12
左
8
方位 P.1
P.10
P.7
P.4
7
1
定位孔
右
6
3
2
5
4
图2 偏心进气道
气道芯盒上半部分 ﾆ ｵﾀﾐｾｺﾐﾉﾏｰ ｲｿｷﾖ
气道分型面，充填不同厚度纸张
ﾆ ｵﾀｷﾖ ｣ｬｳ ﾌ ｲｻﾍｬ ｶﾈﾖｽﾕﾅ ﾐﾍﾃ ｺ
0.38 0.36 0.34
0.095 0.090 0.085
CFm
0.32 0.30 0.28
1.9 1.7 1.6 1.5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Eccentric Position 1.8
标准气道 Standard port
k
0.080 0.075 0.070
2
第一部分
气道形状参数对气道流 动性能影响
3
缸内空气运动重要性
油
混合气 燃烧
气
动力性 经济性 排放特性
内燃机缸内气体流动是影响内燃机 燃烧性能的决定性因素，直接决定其 动力、经济及排放特性。
4
直喷柴油机缸内空气运动型式
涡流
挤压流：活塞接
近上止点时，空气 被挤入活塞头部的 燃烧室内
湍流：壁面生成
旋涡拉伸火焰
5
螺旋进气道 直喷柴油机燃烧系 统的关键部件
对直喷柴油机的功 率输出，燃油经济性 ，排烟以及排放等都 有巨大影响，因为它 影响着空气和燃油的 混合过程和燃烧过程 。
6
直喷柴油机对螺旋进气道的要求
涡流比一定： 与燃烧系统、燃烧室、喷
油达到匹配：实现高功率、低烟度、低油耗
流量系数足够高：保证有足够高的充量
胀1mm gap 1mm 胀2mm gap 2mm
0.080 0.075 0.070
标准气道
标准气道
1.9
Cu/Ca
10
燃烧室中燃油束分布形式
11
合适的涡流比
喷油夹角 喷油持续期内曲轴转角度数
当然，实测为进气终了涡流比，
燃烧室内涡流比要大些（角动量守
恒）
12
螺旋进气道的关键形状
缓坡段 喉口 凸台
气 道 入 口
敏 感 区
陡坡段
a
c
螺旋部分
呈蜗牛壳形 状
b
13
气道形状参数对气道性能的影响之一

喉口截面大小是影响气道参数的关键：气 道截面缩小，流速提高，切向流速变大， 涡流比将提高
25
英国Ricardo 气道稳流评价方法
流量系数 Cf为不同气门升程下气流通过进气道的能力 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。
26
英国Ricardo 气道稳流评价方法 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, B是气缸直径; 可以推导出来：
用稳态流动试验法检测、试验内燃机
的进、排气道的流量系数、涡流比、 等流动特性参数是国内外广泛采用并 行之有效的方法；
不同燃烧室及燃油系统对涡流比有不
同的匹配要求，涡流比过高过低都将 使燃烧恶化、排放变差。
19
气道稳流试验优越性
稳流气道试验台原理简单，结果可靠，
能迅速给出结果，广泛用于直接指导生 产
式中： nt在某一气门升程下叶片风速仪转速 r/min Vs发动机单缸排量 3 Q在某一气门升程下气体体积流量 m /s
30
AVL气道稳流评价方法
见AVL所给的报告或天大报告
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四种气道稳流评价方法之比较
Ricardo方法在测量系数上侧重于评价气
道本身性能的优劣；

FEV方法侧重反映气道与缸径的匹配； 塞运动对涡流强度的影响；
气道形状参数试验研究及开发项目
气道形状参数、流动性能试 验评价及生产一致性的研究 与开发
王天友
广西玉柴机器股份有限公司技术中心
0
学习目的
不懂的要懂一些 懂一些的要更懂 更懂的要系统
最后，统一对气道的认识，落实到 具体的生产、开发中。形成一个气道 生产、开发团队。
1
学习思路


内部挖潜
FEV Cu/Ca 1.907 1.963
0.0846 0.0761
0.35 0.34
CFm

0.095 0.090 0.085 0.080 0.075
0.33 0.32
Standard port 标准气道
标准气道 Standard port
1.9 1.7 1.6 1.5 1 2 3 4 5 6 7 8



凸台高，离底平面远，涡流比将变低 凸台高低也是气道性能最敏感参数之一
15
气道形状参数对气道性能的影响之三

变坡度，提高或降低切向能力，从而提高 或降低涡流比 螺旋室变大可以提高涡流比

通道口对流动不敏感
其它区域，如当前在气缸盖修磨的区域，
提高或降低涡流比时总的原则是改变气流 流动截面和流动方向（角度）
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气门升程调节机构
应 严 格 控 制 气 门 升 程 的 起 点
24
气道稳流试验台在柴油机中的应用

控制质量
质量部检测配件厂来的气缸盖质量（缸盖厂） 主机厂批量检测，稳定性 气缸盖气道流动性能的在线检测


开发新产品
新机型研发 新燃烧系统


控制工艺

例如铸造、机加工过程造成的倾斜、偏心误差
2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Eccentric position 偏心方位
标准气道 Standard port
偏心方位
图8 偏心气道性能曲线
Cu/Ca
Rs
0.35 0.34 0.33
CFm
0.090 0.088 0.086
k
0.32 0.31 0.30
AVL方法在涡流强度的评价上考虑了活
SwRI方法与Ricardo方法相类似，但考虑
进气的曲轴转角不同，只考虑从上止点 到进气门关的区域。
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四种气道稳流评价方法之比较
各种方法主要考虑条件不一样
根据配气相位、凸轮型线等测量了气
道在不同气门升程下的无量纲流量系 数和涡流强度，这是各种方法的基础
Cu/Ca
2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1 2 3 4 5 6 7 8
1.8
Rs
Position 倾斜方位
Position 倾斜方位
图7 倾斜气道性能曲线
无量纲涡流强度，Nr
气缸绕气门转动， 自基准线开始
测得涡流强度
切向分量
螺旋分量
气缸和气门中心连线与基准线之间的夹角 转动气缸的试验结果


蜗壳形状有一个最佳值
气道入口的位置、凸台（螺旋室）的高低 对涡流比有较为明显的影响（详细见后）
14
气道形状参数对气道性能的影响之二

提高涡流比：修气道芯子有效（减小喉口面 积） 降低涡流比：修阴模有效（增大喉口面积） 喉口区域是最敏感区域（约离凸台10mm） 凸台低，离底平面近，坡度变小，切向速度 变大，涡流比将变高
1.8 1.6 1.5 1.4 1 2 3 4 5 6 7 8
Cu/Ca
1.7
Rs
Position 倾斜方位
倾斜方位 Position
图10 兼有倾斜和胀大的气道性能曲线
0.095 0.090 0.085
k
0.38
gap 1mm 胀1mm gap 2mm 胀2mm
CFm
0.36 0.34 0.32 0.30 0.28 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4
0.4 0.2 0.0 2 4 6 8 10 Valve Lift(mm) 气门升程 （mm） 12
1.5 1.0 0.5 2 4 6 8 10 12
气门升程 （mm） Valve Lift(mm)
图6 标准气道性能曲线
评价方法 参数 大气门 小气门
Ricardo CFm 0.34 0.323 RS 1.777 1.814 K
气道芯盒下半部分
ﾆ ｵﾀﾐｾｺﾐﾏﾂ ｲｿｷﾖ ｰ
图3 胀大气道示意图
b
a
图4 缸盖气道位置尺寸示意图
0.8 0.6
CF
0.10 0.08 0.06
大气门 large 小气门 small
k
0.4 0.2 0.0
0.04 0.02 0.00
பைடு நூலகம்
大气门 large 小气门 small
0.6
Nr
2.0
Cu/Ca
16
气道形状参数对气道性能的影响之四
如将105扩缸至108，喷孔数从4变为5： 由于缸径加大，流量要求加大；

喷孔数变多，涡流比要小。
最简单直接的办法是将喉口区面积 加大，加宽2mm，流量得以加大，由 于流速降低，涡流比变小
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第二部分
气道试验 ，气道评价方 法及其对比
18
气道稳流试验必要性
学习：以培训为纽带，系统自己的气道知识 讨论：以自己工作为出发点，谈自己经验和体会 结论：共同努力，制定适合玉柴实际的气道生产、 开发程序与标准



请进来
外部请真正气道专家， 统一对外，有针对性听，有 针对性问，达到讲座的目的

走出去
到外面培训，如天大、AVL等，到时学有所成，成为 开发、生产欧4、甚至欧5发动机不可或缺的力量
RS LD

2
C F N R d
1
式中: 1 和2 分别为气门开启和关闭时的曲轴角度;
2 C d F 1
2
,
BS LD n D2
S 是活塞行程; D 是进气阀座内径. 因而可以推导出来
1 2 C Fm 1 CF d 2 1
最后算出平均流量系数和涡流比。
参见软件中测量与计算过程
33
第三部分
气道流动性能生产一致 性分析研究
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直喷柴油机螺旋进气道制造偏 差对其流动特性影响
刘书亮教授与沈捷总工、陈金源 厂长等研究成果
气道产生的形状偏差型式
1. 标准气道 2. 倾斜1
通道, 入口端
螺旋 部分
3. 偏心
4. 倾斜2
36
0.084 0.082 0.080
Standard port 标准气道
标准气道 Standard port
1.8
Rs
2.0
Cu/Ca
1.9 1.8 1.7 1.6 0.0
1.7 1.6 1.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
Swelling thickness gaps(mm) 胀大缝隙厚度（mm）
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德国FEV气道稳流评价方法
K为流量系数：
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， K 是进气道的有效流通面积与气缸 面积的比值
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德国FEV气道稳流评价方法
Cu/Ca为涡流强度：
是气缸中叶片转动的切向速度与轴向速度的比值。
胀大缝隙厚度（mm） Swelling thickness gap(mm)
图9 胀大气道性能曲线
0.35 0.34
CFm

0.090 0.088 0.086 0.084 0.082
0.33 0.32
Standard port 标准气道
Standard port 标准气道
1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1 2 3 4 5 6 7 8
国外著名发动机咨询公司如英国Ricardo、
奥地利AVL、德国FEV及美国SwRI等都 有自己的方法，以进行气道性能的评价
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气道稳流试验台布臵图
核心部分：流量计、动量计、气门升程
21
使用中的柴油机气道稳流试验台
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气道试验中应注意几大问题
定位 密封 位移 压差
流量 扭矩
流量系数 涡流强度
7
螺旋进气道的型式
陡坡型螺旋气道
缓坡型螺旋气道
8
螺旋进气道的特点 形状复杂;
气道表面和尺寸不能机械加工
需精心设计
开发一个成功的螺旋进气道需要大量的试 验研究工作和丰富的经验 咨询国外研究机构须化重金
9
气道参数的定义
涡流比
涡流旋转速度/发动机转速
流量系数
气道实际流量/理论流量
不同的评价方法有不同的具体定义