发动机进气道稳流试验台的开发

图 1 气道稳流试验台结构简图 ( a) 正视图 ( b) 俯视图
1. 气道压差传感器 2. 气门升程传感器 3. 风速仪 4. 数据采集仪 5. 转速传感器 6. 流量计 7. 计算机 8. 稳压箱 9. 排气道进风端口 10. 立板 11. 被测缸盖 12. 排气道测量管路 13. 进气道测量管路 14. 定位板 15. 定位销 16. 旁通阀
加大而减小。使用无阻尼小型高速轴承、无接触霍尔
转速传感器, 选择矩形叶片的高度和半径[ 2] , 把叶片
调整在距被测缸盖底平面约 1～1. 5 倍缸径的位置
上[ 1] , 同时采集过程中取 10 s 内计数脉冲的平均值
大于 85 mm 缸径 的气道 压差 为每气 门升 程下 取 3 432 P a[ 4] 。
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气道稳流试验台是广大科研工作者的目标之一。将 单纯实验室使用的稳流试验台开发为应用于生产车 间的在线检测设备, 具有现实意义。本文开发研制的 柴油机、汽油机进气道稳流试验台, 多年作为重要的 检测设备应用于发动机生产线上, 已显示出较好的 社会效益和经济效益。
1 气道稳流试验台的结构型 式及分析
气道稳流试验台的结构主要包括: 缸盖测试平
台、被测发动机模拟缸套、气门升程传感器、涡流转
速测量仪、孔板流量计、差压气流发生系统( 稳压箱、 节门、风机等) 和计算机数据采集系统。气道稳流试 验台的结构如图 1 所示。稳流试验台的差压气体流 动方式可以采用排风或压( 吹) 风工作方式, 由于本 文试验台兼顾有测量进气道和排气道的功能, 显然 排风工作方式结构布局更加简单, 转换测量更加方 便。图 1b 通过关闭有关节门清楚地表现了这种转换 形式。
在气源工作机的选择上, 一般选用罗茨鼓风机 或环式真空泵的较多。虽然储备功率较大, 但是价格
以减小误差, 结果与动量式涡流计比较, 矩形叶片式 风速仪反应灵敏, 具有试验的可操作性、较高的测量
高、噪声大是它的最大缺点。因此选择高压离心风机 精度和良好的试验重复性, 但在价格上却远远低于
更经济, 且噪声较大幅度地下降, 减小了对环境的影 动量式涡流计。本文使用矩形叶片式风速仪能够满
Abstract
According t o the r equirement s of the laborat ory and t he ground of engine pro duct ion, an aut om atic steady f low t est rig f or inlet and ex haust port s w as developed and manufact ured. T he dat a acquisition sy st em w as desig ned f or sy nchr ono us r eal t im e t est ing by a m icrocomputer. F or co nvenience, t he cylinder head can be locat ed rapidl y and accurat ely. T he predict ion of sw irl rat io in inlet port of eng ine by t wo kinds of calculat ing methods and a f ormula f or cal culation of t um ble speed ar e g iven. T he r esult s show ed t hat t hey hav e g ood precision and repetit iveness during applicat ion.
如图 3a[ 6] , FEV 公司的研究认为, 这种测量方 式考虑到了活塞顶形状对缸内气体流动的影响。如 图 3b[ 7] , 设计中在垂直方向上设置模拟缸筒, 高度 为冲程尺寸。图 3c 是本试验采取的方法。发动机的 各参数, 如缸径、冲程和活塞顶形状都会给稳流试验 的不确定性带来影响。本文试验装置中, 设计模拟缸 筒为横向位置, 并紧靠缸盖底平面, 这与涡流测量的 考虑相同, 即进入缸内的气体在稳流试验中仅受缸 径大小和壁面导流的约束。其实对涡流测量时, 其活 塞下行引起的气流运动在缸内也有类似 滚流的成 分, 综合表现为斜轴涡流, 而纯涡流状态不多, 因此 考虑在测量涡流或滚流时, 除模拟缸筒摆放位置不 同以外, 其他影响因素在稳流试验中均被简化。推导 出的滚流比的计算结果与 Ricar do 涡流比相同, 并 且认为在气门升程初期发动机缸内并未有效地形成 滚流, 因此在预测滚流比的计算中设置了以曲轴转 角为限的时间窗, 使稳流试验的结果与实际得到的 缸内流动更为接近[ 7] 。
响。选择动量式涡流计模拟缸筒内涡流转速的较多, 因为这种方式测量精度高, 符合模拟缸内非刚性涡 流的特点[ 1] 。使用新型 WD 型动量式涡流计的测试
足发动机进气道的自身比较和新气道的设计要求, 并且试验结果可靠, 具有数据交换的价值。
图 1 中试验台台面长度约为 1. 6 m, 是被测发
结果一般要比矩形或哑铃式叶片风速仪数值大, 尤 其在气门开度愈大时[ 4] 。同时也看到, 使用动量式涡
动机缸盖长度的 1 倍。台面上使用光栅式数字位移 传感器测量气门升程, 以保证测量精度, 使用孔板流
流计, 在涡流强度表达式的推导中, 引入气流产生的 量计和微压差变送器测量气体流量, 试验过程中对
动量矩时, 仍然采用了将气流的旋转运动表示为当
量强制旋涡和气缸横截面上轴向流速均匀分布的两
个假设[ 5] 。因此选用矩形叶片式风速仪测量涡流转
20 00 年3月
农业机械学报
第 31 卷 第 2 期
发动机进气道稳流试验台的开发
许振忠 刘书亮 李玉峰
【摘要】 研制了发动机进气道稳流试验台。该试验台结构设计合理, 操作灵活方便, 计算机可自动进行数据采 集, 既可满足实验室的需要又可应用于生产车间的在线检测。采用两种计算方法预测发动 机进气道涡流比, 并给出 计算公式。研究表明: 气道稳流试验台测量精度高, 试验重复性 好。
∫ ∫ 2
RS = L D CfN Rd
2
2
Cf d
1
1
式中 L D ——发动机形状因数, LD =
BS N D2
B 、S —— 分别为发动机的缸径、冲程
N —— 进气门数
Байду номын сангаас —— 气门座圈内径
N R ——无因次涡流比, N R= RD / n
R ——叶片角速度
n—— 发动机转速
LED 显示 打印 数
据
大气压
采
集 发动机参数
微 机
分组采集
仪
调节
显示
图 2 数据采集框图
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农 业 机 械 学 报
2 00 0年
参数。设计了图形界面软件包, 试验完成后绘出图表 并给出计算结果。
2 稳流气道试验数据处理
目前国际上常用的评价柴油机进气道产生涡流
的方法有多种, 其评价参数各不相同。本文仅根据国
内常用的两种方法编制了相应的数据处理软件。
2. 1 Ri cardo 方法
Ricar do 咨询公司采用流量系数 Cf ( 定义为流 过气门阀座实际空气流率与理论空气流率之比) 和
涡流比 RS ( 模拟气缸中涡流旋转转速与发动机曲轴
转速之比) 分别表示气道的阻力大小和涡流强度。它
假定气道中的流动是不可压缩的绝热过程。试验结
缩的绝热过程。试验结果采用发动机在 90% 最大气
门 升程 下的 k 和 Cu / Ca 分别 表示 平 均流 量 系数
( k) m 和平均涡流比( Cu / Ca ) m。
Ricar do 和 F EV 两种 评价方法考虑 的侧重点 不同, 如 Ricardo 方法在测量系数上只评价气道本 身性能的优劣, 不反映该气道与发动机缸径是否匹
配良好, 而 F EV 方法反映它与缸径的匹配, 而不反
映气道本身性能的优劣。两种计算方法在试验中同
时被采用, 并可以与有关文献相对照, 计算如下。
( 1) 平均流量系数Cf
∫ Cf = 2Cf d ( 1 - 2 ) 1
式中 1 、2 ——气门开闭对应的曲轴转角, rad
( 2) R icardo 涡流比 R S
速仍然有较大的优点。设矩形叶片角速度为
[ 1] f
f = a-
4M T
K
H
R
4 f
式中 —— 气体密度
a——模拟缸内涡流角速度
M T —— 风速仪阻矩 K 、H 、R f —— 叶片数目、高度、外径
叶片角速度总是小于模拟缸内涡流角速度, 即
f < a, 其差值随 M T 加大而增大, 并随 K 、H 和 R f
果得到平均流量系数Cf 和涡流比 R S 。
2. 2 FEV 方法
德国 F EV 咨询公司采用流量系数 k( 定义为进
气道包括气门座和气阀有效流通截面积与活塞顶面
面积之比) 和涡流比 Cu/ Ca( 定义为叶片旋转的切向
速度与气缸中气流轴向速度之比) 来评价气道的流
通能力和涡流强度的大小。它假定进气过程为可压
气道稳流试验台作为生产线上的检测设备, 在 结构设计上具备以下几个特点: 悬臂式气门升程调 节机构, 滚轴式缸盖升降机构, 排气道自动对准连接 装置和快速的定位销、定位板等( 图略) 。
图 2 是数据采集系统框图。各参量通过数据采 集仪输入计算机, 计算流量系数和涡流( 滚流) 比等
转速 缸盖 流量 温度 升程
Key words Eng ine, Inlet port s, T est rig
引言
直喷式柴油机缸内的进气涡流和汽油机( 尤其 是多气门汽油机) 中涡流、滚流对提高发动机燃烧效 率起着关键的作用。在没有解决实际运转发动机缸 内气体运动的测量时, 通过气道的稳流试验以适当 表达发动机工作的比较参数是唯一切实可行的办 法。在稳流试验中表现出良好性能的气道, 在实际发 动机试验中也会得到与之相一致的效果。利用气道 稳流试验台取得的气体流量系数、涡流比或滚流比 等相关参数, 可为确定新的进气道结构、对原有发动 机进气道进行分析改进和计算机模拟进气流动过程 提供必要的试验数据。
自 1961、1962 年, Zimm er 和 Fit zg eo rge 介绍了
他们在稳流试验台上对气道的研究工作后, 稳流试 验台就成为进气道研制工作中的重要工具[ 1] 。T hien 从实际应用方面较详细地介绍了 4 冲程柴油机在稳 流试 验 台上 的 研 究工 作 和 A V L 的 研 究结 果[ 2] ; Ricardo 在文献[ 3] 中较详细地论述了进 气道的设 计和在稳流试验台上的测试结果及精度分析; 国内 也相继有不少这方面的报道。但是关于稳流试验台 本身结构特点的报道还不多, 并存在不同的观点有 待商榷。本文介绍了气道稳流试验台的结构型式和 计算分析。试验证明: 结构设计采用的测量方法虽有 所不同, 但是注重最终测量精度造成误差的各个环 节仍是不可忽视的重要因素。此外, 试验台结构设计 的重要性也可以从国外引进试验台需要花费较大的 资金得到反映。因此, 研制实用、经济、高精度自动化
收稿日期: 1999 04 01 许振忠 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室 副教授, 300072 天津市 刘书亮 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室 教授 博士导师 李玉峰 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室 博士 副教授
第 2 期 许振忠 等: 发动机进气道稳流试验台的开发
( 3) F EV 的 k 参数
k = A s/ A k
式中 A s ——气道有效流通截面积, A s = Q / v0 A k ——活塞顶面面积, A k= B2 / 4 Q —— 气 体实 际体 积流 量 v0—— 理论进气速度
3 汽油机滚流试验台的结构
多气门技术是现代发动机的发展趋势, 其缸内 气体流动模式是循环轴垂直于缸径的气流运动。发 动机一般采用屋脊形燃烧室, 进排气道两侧相对排 列, 进入缸内的空气向斜下方运动。滚流的特点是湍 流强度大、尺度大。在压缩终了时会聚集更多的微小 湍流, 以提高发动机燃烧速率, 有利于改善燃油经济 性和降低污染排放。汽油机中用滚流取代涡流正受 到许多研究者的关注。利用稳流试验台测量发动机 缸内滚流的方法大致有 3 种。
叙词: 发动机 进气道 试验台 中图分类号: T K 417+ . 12 文献标识码: A
Research on Steady Flow Test Rig for Inlet Port of an Engine
Xu Zhenzhong Liu Shuliang L i Yuf eng ( N ational E ngine Combustion L aboratory of T ianj in University )