内燃机气道稳流试验评价方法
内燃机进气道稳流特性测定方法诠释
内燃机进气道稳流特性测定方法诠释
于洪;于瑞涛
【期刊名称】《内燃机与动力装置》
【年(卷),期】2009(000)006
【摘要】本文对内燃机进气道稳流特性测定方法的理论依据、假设条件无因次参数、公式演绎、试验程序等问题进行了详细地说明.
【总页数】6页(P9-14)
【作者】于洪;于瑞涛
【作者单位】中国重型汽车集团有限公司,山东,济南,250002;中国重型汽车集团有限公司,山东,济南,250002
【正文语种】中文
【中图分类】TK407
【相关文献】
1.四气门汽油机进气道流动特性的稳流试验研究 [J], 王健;刘德新;刘书亮;许振忠;胡华
2.进气道稳流试验装置内三维流动特性的数值分析 [J], 杨玟;吴承雄
3.双进气道柴油机丝线法可视化稳流测试及缸内气流运动特性分析 [J], 张韦; 赵罗锋; 陈朝辉; 蒋倩昱; 邹超
4.用正交法稳流试验分析结构因素对螺旋进气道特性的影响 [J], 程庆澜
5.进气道稳流试验装置内三维流动特性的数值模拟 [J], 陈石;邵涌;白慧星
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内燃机中的气体流动
1 试验方法
1）等压差法 缸径﹥100 mm ：△p = - 2.5 kPa 小缸径： △p = - 3.0～- 3.5 kPa 2）变压差法 天津大学刘书亮等：
只需确定气门最大升程时模拟气缸内与环境大气压的初始压差，在变压差条 件下进行试验。
2 气道性能评价指标
流通能力：常用流通系数μσ 或流量系数μ两个参数表示； 涡流强度：可用涡流比Ω 、速度比μ t / μ a 和无因次涡流Nf 来表示。
1
2.1 内燃机进排气道的试验方法与评价 第二章
3 计算方法
1）Ricardo 方法 平均流量系数：
其中：α1、 α2分别为气门开启和关闭的曲轴转角。 涡流比： 注：气门升程与曲轴转角的对应关系按试验发动机的进排气凸轮计算。
2
2.1 内燃机进排气道的试验方法与评价 第二章
3 计算方法
2）AVL 方法
平均流通系数：
???
?m
?
1
?
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?0
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其中：计算时间区间是从上止点到下止点。
涡流比：
2
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1
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C Cm
??? ?
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注：计算中气门升程与曲轴转角的对应关系为该公司的一个标准凸轮。在小气 门升程（相对气门升程h/d=0.04 ，0.08）时，气道压力降Δ p1 采用 6.37kPa(650 mm 水柱)，其他气门升程点Δ p1 采用 2.45kPa (250 mm 水柱) 。
第二章
图 挤流速度随曲轴转角的变化关系 （?=13，Vk/Vc=0.88，x0/S=0.01）
《内燃机实验》实验指导书
内燃机实验实验指导书南昌大学机电工程学院动力工程系发动机实验室2014.05目录附: 发动机台架试验安全操作规范实验一发动机机械效率的测定实验二柴油机负荷特性实验实验三发动机气道稳态流动性能实验实验四柴油机燃油喷射过程实验实验五汽油机排放性能实验实验六柴油机排放性能实验实验七发动机噪声（振动）测定实验八发动机电控系统实验实验一 发动机机械效率的测定一 试验目的：1、了解发动机试验台架的组成，掌握发动机扭矩、功率、转速及油耗等基本发动机性能参数的测量方法。
熟悉电涡流测功器、油耗转速测量仪、发动机数控试验台等仪器的原理和使用方法。
熟悉FST2E 发动机数控系统的使用方法和用户程序的编制方法。
2、采用油耗线法测定发动机机械效率ηm ，并由此计算出发动机的机械损失功率。
目的在于了解发动机的机械磨擦损失随曲轴转速与负荷的变化规律，以便评定发动机的结构完善程度与调整装配质量；还可以借以推算发动机的指示功率，也可用于评定发动机工作均匀性。
二、试验仪器及设备：2105B 型柴油机 南昌凯马柴油机有限公司CW100-3000/10000电涡流测功机 迈凯（洛阳）机电有限公司FCM-D 油耗转速测量仪 上海内燃机研究所FST2E 发动机数控试验台 迈凯（洛阳）机电有限公司三、实验基本原理：本实验采用油耗线法测定2105B 型直喷非增压柴油机的机械效率ηm 。
实验基本原理为：发动机在某一具体工况下指示热效率为： 136003600()i e m A A u A uP P P B H B H η⨯⨯+==发动机同一转速下空转时指示热效率为：假设发动机该工况下和空转时的指示热效率相同（即ηA =η0），则有：故，该转速的发动机机械损失功率可通过下式计算得到：则，该转速下的有效功率为Pe 时机械效率ηm 为：em e mP P P η=+另：由于通过油耗法测得发动机机械效率是基于同一转速下不同负荷时发动机指示热效率相等的假设基础上的，但实际情况是在同一转速下不同负荷时发动机的指示热效率是不同的（特别是在点燃式预混燃烧模式发动机上相差更大）。
气道流量对发动机性能影响的评价方法
Ｒｃｒｏ ｉ ｄ 的平均流量系数即是求 ：由各个气门升程 ａ
±０ ％， ． 达到了±１ ５ ％的精度要求。
２Ｏ ．Ｏ％ １ Ｏ％ ． ５
一
得到的 曲线下的积分面积对积分区间的比值。积分区 间是在进气门开和进气门关之间所对应的曲轴转角。平 均流量系数反映气道在整个进气过程中的宏观流动特
１ ． 试验台主体 ２ ． 二级稳压箱 ３ 形管 ４叶片式涡流风速仪 ５ ． Ｕ ． ． 涡流模拟气缸
６ ． 升程传感器 ７气门升程调节电机 ８缸盖 ９滚流模拟气缸 ｌ． ． ． ． Ｏ叶片式滚流风速仪
１． 压差传感器 １． １ ２ 管道 ｌ． ３ 涡街流量计 ｌ． ４ 稳压箱 ｌ． ５ 阀门 ｌ． ６ 高压离心风机
气源方面选择风泵，保证在模拟气缸内能建立测试需要的压力。流量
计采用高精度宽量程的涡街流量计，气体的测量精度可以达到 ±ｌ ％，根据
流量计精度，试验台测试精度也定义为不大干±１ 。涡流或滚流的测量采 ％
＿ Ｃ 琨 代 零 部 件
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用叶片式风速仪 ， 能满足 气道流量测试 的要求 。
试进行性能验 证。
能影响的评价方法
发动机的气道性能直接影响燃烧状况，决定着发动机的性能和排放水 平。目前的技术水平尚不足以准确测量气体在发动机气缸内的流动情况， 通常利用气道稳流试验台，评价气道的流动特性 ，为气道的分析改进提供
依据 。若发动机 出现 由于 气道问题 引起 的功率不足 ，通过发动 机试验 的方
式中 ——气体体积流量，ｍ／ ３ ｓ
— —
气门升程调节和数据采集处理采用 自动化控制 ， 在控制软件中输入试验类型、气门升程步长及稳流测试
所需要 的各种参数后 ，只 需在每 个升程 的测量节 点调 节 风压 ， 保证模拟 气缸 内的恒定压 力，系统 自 动采集测试
四气门柴油机进气道稳流试验研究及数值模拟
四气门柴油机进气道稳流试验研究及数值模拟廖礼平;姜水生【摘要】对四气门柴油机的单螺旋、单切向、组合气道进行了气道稳流试验，测量出流量系数和涡流比。
保持与气道稳流试验相同的边界条件以及气道评价方法，通过CFD软件FIRE对上述3种气道进行三维稳态数值模拟，计算2～10 mm各气门升程下的流量系数和涡流比。
将稳流模拟所得结果与气道稳流试验所得结果比较，两者吻合良好，偏差都在5％范围内，验证了数值模拟计算的可行性。
对缸内气流的速度场、湍动能等值线场进行了分析，得出3种气道的涡流流动特征，组合气道的两气流发生干涉，导致该处有一定的流量损失，同时在干涉区存在倒流现象。
%This paper have done steady flow test of single helical , tangent and double ports in a 4-valve diesel engine for measuring the flow coefficient and swirl ratio .The 3 D numerical simulation of the steady flow in the previous three ports under the condition of steady testing by means of software FIRE of CFD , which calculate the flow coefficient and swirl ra-tio in 2-10 mm valve lift .It shows that the results of steady-state simulation are in good agreement with its test results , and the deviations are within 5%, when the results of simulation compared with test results , which verify the feasibility of the numerical simulation .After analysing in-cylinder flow velocity field and turbulent kinetic energy contour field , the re-sults point that come the swirl flow characteristics of the three ports In double ports , there is a certain loss of flow in the interference of the double gas flow , where exists backflow phenomenon .【期刊名称】《农机化研究》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】5页(P224-228)【关键词】柴油机;稳态试验;流量系数;涡流比【作者】廖礼平;姜水生【作者单位】南昌大学机电工程学院，南昌 330031;南昌大学机电工程学院，南昌 330031【正文语种】中文【中图分类】TK421+.3近几十年来，随着CAD技术的发展、数理模型以及求解方法的不断发展和完善，气道气体流动的数值模拟取得了长足的进步，经历了由二维到三维、几个部位系统到整个进气系统、稳态到瞬态的研究历程。
内燃机智能型稳流气道试验台性能评价与应用
３ 试 验 方 法 及 计 算 软 件 应 用
气 道 试 验 台 试 验 方 法 有 定 压 差 法 和 可 变 压 差 法
次 涡 流 Ｊ， 表示 。目前 ，气道 稳 流 试 验 的 计 算 方 法 Ⅳ来 有 Ｒ ｃ ｒ ｏ方 法 、Ｆ Ｖ方 法 、Ａ Ｌ方法 和 Ｓ Ｉ ｉａ ｄ Ｅ Ｖ Ｗ Ｒ计 算 方法等 。 ２ １ Ｒ ｃ ｒ ｏ计 算 方 法 ． ｉａ ｄ 英 国 Ｒ ｃ ｒ ｏ公 司采 用 涡 流 比 Ｒ 进 气 结 束 时 ｉａ ｄ （
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２０ ０ ６年 ４ 月
农 机 化 研 究
第 ４期
内 燃 机 智 能 型 稳 流 气 道 试 验 台 性 能 评 价 与 应 用
汤 东 ，罗 福 强 ，刘 胜 吉
（ 苏 大 学 汽 车 学 院 ，江 苏 镇 江 ２ ２ １ ） 江 １ ０ ３
此 常 用 稳 流 模 拟 试 验 装 置 一 稳 流 气 道 试 验 台 进 行 研
轴 承 座 可 取 出 ，使 更 换 叶 片更 容 易 。
收稿 日期 ：２０ — ３０ ０ ５０ — ２
基 金项 目：江 苏省 教育 厅 自然 基金 项 目资 助 （０ Ｋ Ｄ ０ ３） ４ Ｊ Ｉ０ ４ ３
图 １ 智 能 型 气 道 试 验 台 示 意 图
气 道 试 验 台 还 有 工 作 平 台 、气 缸 盖 压 紧装 置 、 气 门升 程 调 节 装 置 和 气 缸 盖 对 中装 置 等 ，只要 一 次 装 夹 即 可 。 换气 缸 盖 时 ，只要 更 换 模 拟缸 套 。 叶 片
２ 气 道 性 能评 价指 标 与 计 算 方 法
可 用 涡 流 动 量 矩 仪 来 测 量 涡 流 动量 矩 ，然 后 用 公 式
1内燃机进气道稳流特性测定方法诠释
2009年第6期(总第114期) 内燃机与动力装置 Ｉ.Ｃ.Ｅ＆Ｐｏｗｅｒｐｌａｎｔ 2009年12月 【设计研究】内燃机进气道稳流特性测定方法诠释于 洪,于瑞涛(中国重型汽车集团有限公司,山东济南 250002) 摘要:本文对内燃机进气道稳流特性测定方法的理论依据、假设条件无因次参数、公式演绎、试验程序等问题进行了详细地说明。
关键词:进气道;稳流特性;测定方法中图分类号:ＴＫ407 文献标识码:Ａ 文章编号:1673-6397(2009)06-0009-06ＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｏｆＭｅａｓｕｒｉｎｇＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒＳｔａｔｉｏｎａｒｙＦｌｏｗＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｔＩｎｔａｋｅＰｏｒｔｏｆｔｈｅＩｎｔｅｒｎａｌＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅＹＵＨｏｎｇ,ＹＵＲｕｉ-ｔａｏ(ＣｈｉｎａＮａｔｉｏｎａｌＨｅａｒｙＤｕｔｙＴｒｕｃｋＧｒｏｕｐＣｏ.,Ｌｔｄ.,Ｊｉｎａｎ250002,Ｃｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｐａｐｅｒｄｅｔａｉｌｅｄｄｅｓｃｒｉｐｅｓｔｈｅｔｈｅｏｒｔｉｃａｌｂａｓｉｃ,ａｓｓｕｍｅｄｔｅｒｍｓｄｉｍｅｎｓｉｏｎｉｅｓｓｃｏｅｆｆｉ-ｃｉｅｎｔｓ,ｄｅｒｉｖａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｏｒｍｕｌｅｓ,ｔａｓｔｐｒｏｃｅｄｕｒｅ,ｅｔｃ.ｏｆｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｓｔａｔｉｏｎａｒｙｆｌｏｗｐｒ-ｏｐａｒｔｉｅｓａｔｉｎｔａｋｅｐｏｒｔｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅ.ＫｅｙＷｏｒｄｓ:ＩｎｔａｋｅＰｏｒｔ;ＳｔａｔｉｏｎａｒｙＦｌｏｗＰｏｒｐｅｒｔｉｅｓ;ＭｅａｓｕｒｉｎｇＭｅｔｈｏｄｓ作者简介:于洪(1969-),男,上海市人,工程师,主要从事汽车柴油机设计、制造工作。
由于进气道稳流特性测定方法简单易行,效果良好,多年来在内燃机研发、改进及质量控制工作中得到了广泛的应用。
为了进一步了解该方法(以奥地利ＡＶＬ公司方法为例)的内涵,更加娴熟运用,本文对其理论依据、假设条件、表征气道稳流特性的无因次参数、计算公式演绎、测定程序等问题作一较详细的说明。
科技成果——气道试验台变压差稳流测试技术
科技成果——气道试验台变压差稳流测试技术所属领域内燃机测试及研究成果简介内燃机是应用范围最广的动力装置，消耗我国石油总量的60%，并且是城市大气主要污染源，内燃机节能减排是国家的重大需要。
燃烧技术是内燃机的核心技术，包含“油”和“气”两大要素，气道作为内燃机的“咽喉”，是控制“气”的关键，良好的气道性能是实现内燃机节能减排的前提。
长期以来，气道开发和生产质量在线控制始终是世界难题。
由于气道性能的优劣直接影响着内燃机的动力性、经济性以及其他特性，气道的测试十分重要。
欧美传统气道测试采用定压差方法，测试中需反复调节气道压差至定值，单次测试超过15分钟，而内燃机生产节拍约为5分钟/台，因此仅能用于实验室研发，根本无法满足生产线在线检测的效率要求。
本发明使气道测试效率提高5倍以上，攻克了气道生产质量在线控制的世界难题，应用于玉柴、潍柴等企业多条生产线，高排放标准内燃机合格率大幅提升。
技术原理内燃机气道及缸内流动属于复杂壁面条件下的剪切湍流，同时伴随有活塞、气门等周期性运动边界，整体流动特性直接受近壁流动影响。
研究发现，随着外流场雷诺数的增大，达到充分发展湍流，近壁雷诺应力增大，动量交换加剧，粘性底层厚度明显变薄，壁面阻力系数趋于恒定，流量系数、涡流/滚流强度等无量纲参数不再随雷诺数发生变化。
研究进一步发现，进气过程中若对应最低气门升程的雷诺数达到其临界值，则在相同条件下随着气门升程的增大，气流将始终保持充分发展湍流状态，即后续气门升程下雷诺数将始终高于相应气门升程的临界值。
基于以上发现，提出了变压差气道测试方法：测试过程以气流达到充分发展湍流状态为控制条件，即保证雷诺数始终高于临界值，仅需设定最低气门升程的气道压差，从而免去了后续过程中压差的反复调节。
技术水平2012年，气道试验台变压差稳流测试技术通过中国机械工业联合会组织的专家鉴定，以郭孔辉院士为主任的鉴定委员会一致认为“该项目取得了重大的理论突破和技术创新，拥有多项自主知识产权，综合性能达到国际同类产品的领先水平，具有重大的综合效益，应用前景广泛”。
内燃机气道稳流试验的影响因素分析及其控制规格设定
）。
1010图1粗糙度测量规格示意图2.1.2进排气道歧管喉口与燃烧室的相对位置以气道歧管喉口与燃烧室过渡区域进行分割，歧管侧由砂芯成型，而燃烧室侧由金属模成型，两者之间的相对位置对稳流试验结果尤为重要。
在铸造过程中，气道砂芯由于受到铝液填充过程的冲击，其位置会相对燃烧室模块在一定范围内浮动。
以各燃烧室中心为基准，评价燃烧室内歧管喉口端面圆心之间的相对位置，即为歧管喉口与燃径向方向，位置度应控制在应与原型机设计趋势保持一致。
当局部区域不能做到一致时，其偏移方向也应偏向设计中值。
进排气道管口与毛坯基准点相对位置毛坯基准点，指的是汽缸盖GA （gasket ）面上三个基准点，是后续加工中定位使用的基准原点；道管口，指的是进气侧IN （inlet ）面4管口与排气侧面4管口（或单孔、或上下双孔），管口区域的几何中心位置。
由于铸造工艺原因，汽缸盖气道均由砂芯成2.1.4燃烧室的内壁轮廓及高度汽缸盖燃烧室内壁，分为部分加工以及全加工两种，当燃烧室内壁铸造精度、位置度难以达到设计的尺寸要求，或对内壁有其他特别要求时，采用全加工成型；否则一般情况下，仅对气门、火花塞、喷油嘴孔进行加工处理，其他内壁区域保持铸造状态。
当燃烧室内壁为铸态时，内壁铸造成型部分的轮廓度（图5），应控制在±0.3mm 以内，实际最佳状态为±0.1mm 。
将燃烧室的内壁视为一个整体曲面，其整体基准点与汽缸体毛坯基准点的相对位置，即为燃烧室的高度。
当燃而实现其曲面整体的高度调节。
同时，考虑铸造时燃烧室的喷涂工艺失误，在衡量单个燃烧室高度的点位时，止单点失效，可设置副测量点：火花塞加工中心座面（度衡量点），以及喷油嘴（仅限缸内直喷结构）加工中心座（副高度测量点）。
高度要求通常控制在±0.3mm 。
各个燃烧室的高度趋势，同样应与原型机设计趋势保持一致；2.2汽缸盖加工的尺寸2.2.1GA 面加工成型后相对毛坯基准面的高度差汽缸盖毛坯在加工初道工序时，是通过定位GA 面三点高度进行装夹，从而确定加工的高度方向原点。
气道试验台及4种评价方法介绍
２１ ０ ０年 １ ２月 验 台及 ４种 评 价 方 法 介 绍
争 冬
（ 重庆康 明斯发动机有 限公 司， 重庆 ４０３ ） ００ １
摘
要： 介绍 了柴 油机缸 内运 动及研 究评 价 方 法 ， 分析 了国 内外所 进 行 的 气道稳 流 模 拟试
ＨＵ ｎ Ｄｏ ｇ
（ ｈ ｎ ｑｎ ｕ Ｃ ｏ ｇ ｉｇＣ ｍｍｉｇ ｇｎ ｏ ｔ ｎ ｓＥｎ ｉｅＣ ．Ｌｄ，Ｃ ｏ ｇ ｉｇ４ ０ ３ ， ｈｎ ） ｈ ｎ ｑｎ ０ ０ Ｃ ｉａ １ Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｔｈ ｈ ｒ ｅ ｍｏ ｉｎ ｉ ｉｓ ｌｅ ｉ ｅ’ ｙ ｉ ｄ ｒａ ｄ ｉ ｖ ｌ ａ ｉｎ ｍｅｈ ｄ ｒ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｅ ｃ ａ ｇ ｔｏ ｎ ａ ｄｅ ｅ ｎｇｎ Ｓｃ ｌｎ ｅ ｎ ｔ ｅ ａｕ ｔ ｔｏ ｓ ａ ｅ ｉｔｏ ｕ ｅ ｓ ｏ ｉ ｈ ｓｐ ｐ ｒ ｔｉ ｏ ｕ ｅ ｎ ｔ ｅｆ ｕ ｔ ｏ ｓｗｈｉｈ ａｅ ｕ ｅ ｏ ｄ ｉ ａ ｓ ｇ ｔ ａ ｙ ｆｏ ｓｍｕ ａｉｎ ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ．Ｉ ｓｆｃ ｓ ｄ ｏ ｈ ｏ ｒｍｅｈ ｄ ｃ ｒ ｓ ｄ ｔ ｏ ａｒｐ ｓ ａ ｅ ｓｅ ｄ ｗ ｉ ｌｔｏ ｌ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｖ ｒｔ ｅ ｗｏ ｌ ｘ ｅ ｉ ｎ ｓｏ ｅ ｈ ｒｄ：Ｒｉ ａｄｏ ｅ ｐｅｉ ｎ ｔ ｏ ｃ ｒ ｘ ｒｍｅ ｔ ｍｅｈ ｄ，ＡＶＬ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｍｅ ｈ ｄ，ＦＥＶ ｘ ｅ ｉ ｎ ｘ ｅ ｉ ｎ ｔ ｏ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｍｅ ｈ ｄ ａ ｄ Ｓ ｔ ｏ ｎ ｗＲＩｅ ｐ ｒｍｅ ｔｍｅ ｈ ｄ． ｘ ｅ ｉ ｎ ｔｏ
发动机气道试验
1 概述 • 发动机要想具有良好的燃烧过程，获得理想的动 力性、经济性及低排放的性能指标，就必须合理 匹配燃烧系统。要使混合气形成过程和燃烧过程 完善，必须使缸内有充足的新鲜空气和合理的旋 流运动，气缸内气体的涡流是通过气体在进气道 的流动产生的，所以进气道性能（涡流强度、流 量系数）对发动机的动力性、经济性和排放特性 都有重要影响。从稳流试验获得表示气道流动阻 力和气缸内涡流强度的平均流量系数及涡流比等 重要参数，为进气道性能设计和改进提供了重要 依据。
2.3 FEV 方法
• 德国FEV 公司使用此方法。与上述两种评价方法 的不同之处是它用有代表性的气门升程的试验结 果评价进气道性能是否符合要求，该方法反映了 气道与气缸的匹配情况，其所用气门升程为最大 升程的0.9 倍。 流量系数定义为进气道气门的有 效流通截面积和发动机活塞面积之比：
• 它在一定程度上代表了该气道对发动机的适应能 力。 涡流比用Cu/Ca表示，其中Ca代表在模拟气缸中 的平均轴向速度，Cu则代表空气在气缸内旋转的 平均切向速度。
其中，D:气缸直径，Q：空气流量， α1 ：进气门开启时 的曲轴转角，α2：进气门关时的曲轴转角， ωR：风速 仪叶片转速，V0：气门口空气名义速度，LD 为发动机 的形状系数
2.2 AVL 方法
• 这种方法被奥地利AVL 公司倡导，首先假 定进气只在吸气行程进行，整个试验按定 压差法进行。某一升程下的气道流量系数 定义为实测空气流量与理论上流过直径与 气门阀内径相等的断面的空气 流量之比，， 用µσ表示。
2 气道试验与评价方法研究
• 经过几十年的研究发展，形成一定影响的 进气道试验评价的方法有近十种，目前以 英国Ricardo、AVL 和FEV 三家内燃机研究 机构的评价方法最为常用。下面分析比较 这几种试验评价方法。
内燃机气道稳流试验评价方法.
气道的设计与开发-实验装置
气缸盖a . P m
涡流动量计
Ta a
D
} 1.75 D
Tank
叶片风速仪
nD
气缸套
叶片风速仪叶轮
1.75D
2.5D 电子计数器 叶轮转速 p
p1
p2 m
. m
稳压箱
Tank
锐孔板或 质量流量测量装置
到风机
23
旁通
.
31357
流量系数
流量系数
=
mth =z
18
a) 涡流测量
b) 滚测量
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， K 是进气道的有效流通面积与气 缸面积的比值
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 ( ) cm
(涡流比d )
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。
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
混合气
气
燃烧
能 源
动力性
经济性
排放特性
环 境
3
2
1.内燃机缸内空气运动的主要形式
内燃机气道稳流试验评价方法61页文档
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
内燃机气道稳流试验评价方法
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
内燃机进气过程中的气流运动形式
切向气道及其评价
切向气道形状比较平直，在气门座前强 烈收缩，引导气流以单边切线方向迚入 气缸，从而造成气门口速度分布的丌均 匀。它相当于在平直无旋气道速度分布 的基础上，增加—个沿切向气道方向的 速度。 切向迚气道结构简单，在对迚气涡流要求低时，流动阻 力丌大，但当对涡流要求高时，由于气门口速度分布过 于丌均匀，气门流通面积实际上得丌到充分利用，气道 阻力将很快增加，因此切向气道适用于要求迚气涡流强 度丌高的发动机上。
其中： R 为叶片旋转角速度， 为理论迚气速度，D为缸径。
R Ricardo涡流比 为： e
其中： R 为叶片旋转角速度， 为发动机旋转角速度。
挤流
定义：在压缩过程后期，活塞表面的某一部分和气缸盖 彼此靠近时所产生的径向或横向气流运动称为挤压流动， 又称挤流。 挤流强度主要由挤气面积和挤气间隙的大小决定。挤流 在汽油机上得到了广泛的应用，汽油机紧凑型燃烧室都 利用较强的挤流运动，以增强燃烧室内的湍流强度，促 迚混合气快速燃烧。 当活塞下行时，燃烧室中的气体向外流到环形空间，产 生膨胀流动，称为逆挤流。逆挤流在柴油机上有助于将 燃烧室内的混合气流出，使其迚一步和气缸内的空气混 合燃烧，对改善燃烧和降低排放十分有利。
滚流
绕垂直于气 缸轴线的空 气旋流。
湍流
湍流是在时 间和空间上 都具有某种 准周期性和 连续性特征 的，半随机 半有序的三 维非定常有 旋的大雷诺 数流体运动。
定义
产生 时刻及 条件
迚气过程 导气屏 切向气道 螺旋气道
压缩过程 活塞不气 缸盖
迚气过程 直迚气道
整个工作 过程
气道的质量指标主要有流动阻力和涡流强希望在尽可能小的阻力下有足够的涡流强气道的评定方法为使丌同形状和尺寸气道的流动特性具有对比性采用无量纲流量系数评价丌同气门升程下气道的阻力特性或流通能力用无量纲涡流数评价丌同气门行程下气道形成涡流的能力
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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， K 是进气道的有效流通面积与气 缸面积的比值
2 C F d 1
2
,
BS LD n D2
1 2 C Fm C F d 2 1 1
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）
nD ... 风速仪转速 [min-1] ... 发动机转速 [min-1]
cm
m sn = ca = = 30 FK
.
n = 30 m s FK
.
n
m ... 质量流率 s ... 发动机行程
.
FK ... 活塞面积
涡流比:
nD Vh nD . = n 30m
nD n ( n ) = nD D s red
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。
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 ( ) cm
(涡流比d )
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。
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？
Ricardo Cf, Nr
0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 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
CUCA
还有其他形
状的。显然， 考虑不同气门
FEV CUCA
3.5
3.0
2.5
升程涡流强度 变化对涡流比
V0 2 P
13
P –进气道前后压差。
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
C F N R d
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
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 –α k 和 Cu/Ca 来评价气道的流通能力和涡流强度 [5]。其中
41
F
c( ) 2 ( ) cm
(c(alfa)/cm)**2
1.0 0.9 0.8 0.7 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 CA
进气过程 CA
42
显然，不同假设条件将得出不同
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
混合气
气
燃烧
能 源
动力性
经济性
排放特性
环 境
3
2
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
36
bar
p恒值
IO TDC
进气门开启区间
BDC
IC
图3 发动机进排气过程缸内压力--低压示功图
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 p max
p恒值假设
流通能力：
mth
2 p
. m .
将流量系数与气缸面积关联起来
dv2 =z 2 D
.
dv2 4
z ... 气阀数目 dv ... 内座圈直径 D ... 汽缸直径 p ... 压降 m ... 测得的质量流率 c() . 实际的活塞速度 ... 曲轴转角 ... 空气密度 指数 m ... 平均 ...
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）。 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。
涡流动量计/ 叶片风速仪 = 1.43
Swirl Ratio-Impulse Swirl Meter
涡 流 比 涡 流 动 量 计
-
各种气道所得 涡流比值的： 回归分析线
31
涡流比-叶片风速仪
稳流试验结果 排气道性能： ()m=0.426
撞击（Bump）--引起气流分离
32
Cf Nr
0.55 0.50 0.45 0.40
稳流试验结果
hv max
4
(nD / n)red 3
.3 .2
.1 0 0Βιβλιοθήκη .042(nD/n)red
.08 .12 .16 .20 .24 .28 .32 .36
1 0 .40
hv / dv
实验编号: 1
60871
, 进气道
dv,
Swirl no.,
reduced Swirl no.,
mean flow coeff.,
6.0
标准化涡流比
（涡流动量计）
60747
29
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 标准化涡流比
3
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
60748
1
2
3
4
5
6
7
8
标准化涡流比
（涡流动量计）
30
Ricardo
Ricardo方法 对比涡流动量 计和叶片风速 仪结果： 螺旋气道 切向气道
2.0
1.5
的综合影响
（积分），可 量化气道的性 能参数。
1.0
0.5
0.0 2 4 6 8 10 12
1
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 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。
Vh ... 气缸排量 c() .. 实际活塞速度 ... 空气密度 = const. ... 曲轴转角
标准化的涡流比:
指数 m ... 平均 ...
nD 1 n D 平均涡流比：( n )m = n
0
(
c ( ) ) 2 d cm
27
31361
.7 .6 .5 流量系数 .4
22
气道的设计与开发-实验装置
气缸盖a . P m
涡流动量计
Ta a
D
} 1.75 D
Tank
叶片风速仪
nD
气缸套
叶片风速仪叶轮
1.75D
2.5D 电子计数器 叶轮转速 p
p1
p2 m
. m
稳压箱
Tank
锐孔板或 质量流量测量装置