張海蓉，張偉，王天友

(1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201； 2.天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津 300072)

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滾流測試裝置對汽油機進氣道穩(wěn)流試驗的影響

張海蓉1，張偉1，王天友2

(1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201； 2.天津大學(xué)內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室，天津 300072)

采用氣道穩(wěn)流試驗對缸內(nèi)滾流進行測試和評價是廣為采用并行之有效的方法，但是由于沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，滾流測試裝置結(jié)構(gòu)的差異對測試結(jié)果造成了較大影響，針對此問題，著重研究了不同結(jié)構(gòu)的滾流模擬缸套對穩(wěn)流試驗結(jié)果的影響。研究表明：缸頭結(jié)構(gòu)對滾流比的影響幅度接近20%；缸套高度每增加一倍缸徑，滾流比的衰減幅度約為6%；滾流強度測試結(jié)果與出氣口直徑成反比，當(dāng)出氣口直徑接近缸徑，為0.857B時，躍升現(xiàn)象不再出現(xiàn)。

進氣道； 穩(wěn)流試驗； 滾流比； 模擬缸套； 評價方法

內(nèi)燃機缸內(nèi)氣流運動對混合氣的形成和燃燒過程有決定性的影響，直接影響著內(nèi)燃機的動力性、經(jīng)濟性以及其他特性[1-2]。而缸內(nèi)氣流運動在很大程度上受氣道流動性能影響，因此進氣道設(shè)計十分重要。在進氣系統(tǒng)開發(fā)過程中，通常采用穩(wěn)態(tài)流動試驗方法對氣道進行測試和評價。該方法可以追溯到20世紀(jì)60年代，自從D.Fitzgeorge等人采用氣道穩(wěn)流試驗臺進行氣道的研制工作以后，氣道穩(wěn)流試驗臺已經(jīng)成為氣道流動性能的重要研究工具，至今仍被廣為采用。

但實際發(fā)動機運行過程中，內(nèi)燃機缸內(nèi)氣流運動隨活塞和氣門的運動周期性變化，與穩(wěn)態(tài)流動試驗狀態(tài)差異較大。為了使預(yù)測出的進氣道穩(wěn)態(tài)流動性能盡可能接近實際發(fā)動機的運行狀態(tài)，各國學(xué)者針對穩(wěn)態(tài)流動試驗提出了不同的評價方法[3-6]。但是到目前為止，對于滾流的測試仍然沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同測試裝置的滾流測試結(jié)果在進行比較時僅具有相對參考意義，對指導(dǎo)進氣道產(chǎn)品設(shè)計及研究而言，有一定的局限性。基于上述認識，對不同結(jié)構(gòu)設(shè)計的汽油機進氣道滾流測試裝置進行了試驗研究，以便深入理解試驗裝置對測試結(jié)果的影響規(guī)律。

1 試驗裝置與評價方法

1.1 氣道穩(wěn)流試驗臺

圖1示出天津大學(xué)自行研制的氣道穩(wěn)流試驗臺[7-8]，原理是利用風(fēng)機抽氣在缸蓋氣道上下游形成一定的氣道壓差，通過測量氣門升程、氣道壓差、動量計扭矩(或葉片轉(zhuǎn)速)、流量、大氣壓力、溫度和濕度等參數(shù)，計算得出與氣道流動特性相關(guān)的評價參數(shù)，如流量系數(shù)、滾流強度等。

1.2 評價方法

1) 間接測量

在間接測量方法中，對某個氣門升程氣道流通能力采用了流量系數(shù)(Cf)進行評價。

(1)

式中：Q為氣體流量；n為進氣門數(shù)；V0為理論進氣速度；A為氣門座內(nèi)截面積。

對于整個進氣歷程，氣道流通能力采用了平均流量系數(shù)(Cfm)進行評價。

(2)

式中：C(α)為實際活塞速度；Cm為活塞平均速度；α為對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角。

在評價缸內(nèi)氣流運動強度時，對于某個氣門升程狀態(tài)，采用滾流強度進行評價。

(3)

對于整個進氣歷程的滾流比，其定義為進氣終了時氣流的旋轉(zhuǎn)速度與發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速之比。

(4)

式中：ρ為密度；nD為某氣門升程下葉片的旋轉(zhuǎn)速度；Vh為排量；m′為氣體流量；ne為發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

2) 直接測量

在直接評價方法中，采用流量系數(shù)(αk)評價氣道的流通能力，其定義為進氣道有效流通截面積與氣缸截面積之比。

(5)

式中：As為進氣道(包括氣門座和氣閥)有效流通截面積；Ak為氣缸截面積。

對于氣流運動強度的評價，采用Cu/Ca進行評價，其定義為葉片旋轉(zhuǎn)中心的切向速度與氣缸中氣流軸向速度之比。

Cu=2π·Ns·RFL，

(6)

(7)

式中：Ns為葉片的旋轉(zhuǎn)速度；RFL為葉片旋轉(zhuǎn)中心半徑，約為0.365倍氣缸直徑。

對于整個進氣過程的綜合評價，采用90%最大氣門升程狀態(tài)下對應(yīng)的αk及Cu/Ca進行評價。

1.3 模擬缸套結(jié)構(gòu)設(shè)計

滾流的測試方法可以分為間接測量和直接測量兩種方法[9]。間接測試方法(見圖2a)在一定程度上借鑒了渦流的測試方法，由于滾流與渦流的旋轉(zhuǎn)軸心偏差90°，所以間接測量方法一般采用一個T型或L型的彎頭結(jié)構(gòu)，將滾流轉(zhuǎn)化為渦流后進行測量。直接測量方法(見圖2b)通常采用一個直徑約為0.73倍缸徑的環(huán)形葉片放置在距離缸蓋底面0.5倍缸徑距離截面，穩(wěn)流試驗過程中，氣流帶動葉片旋轉(zhuǎn)，通過測量環(huán)形葉片的旋轉(zhuǎn)速度即可對滾流進行評價。

針對上述兩種測量方法，為了研究滾流模擬缸套對穩(wěn)流測試結(jié)果的影響，本研究從缸頭結(jié)構(gòu)、缸套長度以及出氣口直徑3個方面進行了試驗研究。

1) 當(dāng)采用L型間接測量方式測試滾流時，將滾流模擬缸套設(shè)計為缸頭、缸套兩部分(見圖3a)。設(shè)計并制作了3種型式的缸頭(見圖4)，根據(jù)缸蓋相對的缸頭底面分別命名為平面缸頭、弧面缸頭和球面缸頭。

2) 針對缸套，考慮到缸徑的影響，同時兼顧模擬缸筒結(jié)構(gòu)對流動的影響，共設(shè)定了5種高度，分別是127，200，272，345，500 mm。

3) 采用直接測量法進行穩(wěn)流試驗過程中，當(dāng)氣流由氣道進入氣缸時，在燃燒室以及模擬缸套壁面的引導(dǎo)下形成了大尺度的滾流，然后由出氣口流出(見圖3b)。根據(jù)角動量守恒原理，由于出氣口直徑小于氣缸直徑(B)，因此靠近出氣口位置的氣流旋轉(zhuǎn)速度必然大于氣缸中心氣流的旋轉(zhuǎn)速度，即出氣口尺寸對測試結(jié)果有較大的影響。所以分別研究了出氣口直徑為0.35B，0.495B，0.7B，0.857B對應(yīng)的滾流模擬缸套對穩(wěn)態(tài)流動試驗結(jié)果的影響。

1.4 試驗條件

在試驗過程中，環(huán)境溫度為(25±5) ℃，大氣壓為(101.1±1)kPa，濕度為58%±5%，主要采用了變壓差穩(wěn)流試驗方法[10]。試驗采用泛亞公司研制的汽油機缸蓋。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 缸頭結(jié)構(gòu)對測試結(jié)果的影響(間接測量方式)

圖5和圖6分別示出采用不同缸頭結(jié)構(gòu)滾流模擬缸套的穩(wěn)流測試結(jié)果，缸套高度均為500mm。為驗證規(guī)律的一般性，在1號缸和2號缸分別進行了穩(wěn)流測試試驗(見圖7和圖8)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，缸頭結(jié)構(gòu)對流量系數(shù)幾乎沒有影響，所以平均流量系數(shù)基本一致。對于滾流強度及滾流比，其測試結(jié)果受缸頭結(jié)構(gòu)影響較大。滾流強度隨氣門升程變化趨勢基本一致。其中，1號缸頭結(jié)構(gòu)與真實發(fā)動機結(jié)構(gòu)最為接近，但在滾流轉(zhuǎn)化為渦流的過程中損失的角動量流率最大，所以其測試得出的滾流比最小。以第1缸測得數(shù)據(jù)為例，與1號缸頭(平面缸頭)相比，2號缸頭(弧面缸頭)滾流比變化幅度為18.6%，3號缸頭(球面缸頭)滾流比變化幅度為19.2%。

2.2 缸套高度對測試結(jié)果的影響(間接測量方式)

圖9至圖12分別比較分析了127，200，272，345，500mm5種高度缸套下的測試結(jié)果，所有數(shù)據(jù)均為兩次測量平均值。從圖9和圖11中可以看出，缸套高度對流量系數(shù)影響極小，平均流量系數(shù)的變化幾乎可以忽略。從圖10中可以看出，不同高度缸套的滾流強度隨氣門升程增加的變化趨勢一致。但是缸套高度的增加必然會加劇缸內(nèi)角動量流率的衰減，所以滾流強度隨缸套高度的增加呈減小趨勢。

為了進一步研究滾流比隨缸套高度增加的衰減規(guī)律，對2號及3號缸頭也進行了試驗，試驗結(jié)果見圖12。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，模擬缸套高度每增加一倍缸徑，滾流比降低幅度約為6%。

2.3 出氣口直徑對測試結(jié)果的影響(直接測量方式)

圖13示出采用直接測量方法獲得的試驗結(jié)果，與L型間接測試方法獲得的滾流強度有較大差異，對比圖6可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣門升程達到8mm時，直接測量獲得的滾流強度捕捉到明顯的躍升現(xiàn)象，滾流強度由8mm的0.855躍升至9mm的2.527，而L型間接測試結(jié)果并沒有躍升現(xiàn)象發(fā)生。其次，間接測試獲得的滾流強度遠低于直接測試獲得的滾流強度。測試結(jié)果的差異由兩方面原因造成，一是評價方法之間的差異，二是直接測試方法中滾流模擬缸套的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)前文分析，由于缸內(nèi)角動量流率守恒，直接測試裝置中出氣口直徑小于氣缸直徑，因此靠近出氣口位置的氣流旋轉(zhuǎn)速度必然大于氣缸中心氣流的旋轉(zhuǎn)速度，該結(jié)構(gòu)會放大缸內(nèi)氣流的真實旋轉(zhuǎn)速度，所以滾流強度不僅在數(shù)值上偏大且有躍升現(xiàn)象出現(xiàn)。圖14示出不同出氣口直徑滾流模擬缸套的測試結(jié)果，隨著出氣口直徑的增加，滾流強度整體呈衰減趨勢，躍升幅度也大幅下降，當(dāng)出氣口直徑接近缸徑，為0.857B時，躍升現(xiàn)象消失。

3 結(jié)論

a) 滾流模擬缸套結(jié)構(gòu)對流量系數(shù)的影響較小，幾乎可以忽略，但是對滾流強度有較大影響；

b) 對于間接測量方式，采用不同結(jié)構(gòu)形式缸頭測試得出的滾流強度隨氣門升程增加的變化趨勢一致；其中，采用平面缸頭測試得出的滾流比最小，與平面缸頭測試結(jié)果相比，弧面缸頭測試得出滾流比變化幅度為18.6%，球面缸頭測試得出滾流比變化幅度為19.2%；缸套高度與滾流強度測試結(jié)果成反比，模擬缸套高度每增加一倍缸徑，滾流比降低幅度約為6%；

c) 對于直接測量方式，滾流強度在中等氣門升程將會出現(xiàn)躍升現(xiàn)象，根據(jù)角動量守恒原理，滾流強度躍升幅度與出氣口直徑成反比，當(dāng)出氣口直徑接近缸徑，為0.857B時，躍升現(xiàn)象不再出現(xiàn)。

[1] 周龍保.內(nèi)燃機學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[2] Wang T, Peng Z, Wang G.In-cylinder air motion characteristics with variable valve lift in a spark ignition engine.Part 1: swirl flow[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D:Journal of Automobile Engineering，2011,225(D4):479-497.

[3] Ricardo J.Steady state flow bench port performance measurement and analysis techniques[R].Report DP93/0704,1993.

[4] Powling L J.The Measurement and Analysis of Axial Swirl and Tumble Within Automotive Engine Cylinders, Final Year Project Report[R].Brunel:Department of Manufacturing and Engineering Systems, Brunel University,1990.

[5] Nigel F Gale.Diesel Engine Cylinder Head Design: The Compromises and the Techniques[C].SAE Paper 900133,1990.

[6] Liu S, Li Y, Lu M.Prediction of Tumble Speed in the Cylinder of the 4-Valve Spark Ignition Engines[C].SAE Paper 2000-01-0247.

[7] 王天友，劉大明，沈捷，等.內(nèi)燃機氣道及缸內(nèi)氣體流動特性研究[J].工程熱物理學(xué)報，2008,29(4):693-697.

[8] Lu Z, Wang T, Liu S L, et al.Experimental and Modeling Study of the Effect of Manufacturing Deviations on the Flow Characteristics of Tangential Intake Port in a Diesel Engine[J].Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2014,136(11):112101-1-09.

[9] Liu D, Ming J, Wang T.Insights into the engine cylinder tumble motion development using direct and indirect steady test methods[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D: Journal of Automobile Engineering,2014,228(13):1530-1546.

[10] 王天友，林榮文，劉書亮，等.直噴式柴油機進氣道變壓差穩(wěn)流試驗方法的研究[J].內(nèi)燃機學(xué)報，2005，23(2)：131-136.

[編輯：潘麗麗]

Effect of Tumble Test Device on Steady Flow Test of Intake Port for Gasoline Engine

ZHANG Hai-rong1, ZHANG Wei1, WANG Tian-you2

(1.Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd., Shanghai 201201, China;2.State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072，China)

The steady flow test of intake port was widely used for the measurement and evaluation of in-cylinder tumble motion.However, the different structures of tumble test device could acquire the different results due to the absence of test legislation.For this kind of problem, the effect of dummy cylinder on steady flow test results was researched.The results show that the structure of dummy cylinder edge can make the tumble ratio variation increase to 20% and the tumble ratio decreases by about 6% when the dummy cylinder lengthens by each cylinder diameter.Besides, the tumble ratio is inversely proportional to the outlet diameter and the phenomenon of step rise for tumble intensity disappears when the outlet diameter increases to 0.857B.

intake port; steady flow test; tumble ratio; dummy cylinder; evaluation method

2014-11-10；

2015-01-15

張海蓉(1982—)，女，工程師，碩士，主要研究方向為發(fā)動機子系統(tǒng)試驗；hairong_zhang@yeah.net。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.017

TK413.44

B

1001-2222(2015)02-0083-05