1螺旋进气道结构参数对气道流通特性的影响

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1、?第 29卷 第 3期2008 年 6 月内?燃?机?工?程Chinese Internal Combustion Engine EngineeringVol.29 No.3Jun.2008?收稿日期:2007-08-07基金项目:国家高技术研究发展计划(863 计划)资助项目(2006AA11A1B2)作者简介:司鹏昆(1966-),男,博士生,主要研究方向为内燃机工作过程,E-mail:。文章编号:1000-0925(2008)03-025-04290042螺旋进气道结构参数对气道流通特性的影响司鹏昆1,2,侯树梅2,张惠明1,张真忠2,杨志勇3,张自立3(1.天津大学 内燃机燃烧学国家重

2、点实验室,天津 300072;2.承德石油高等专科学校;3.东风南充汽车有限公司)Influence of the Structure Parameters of Helical Inlet Ducton Inlet Duct Flow CharacteristicSI Peng-kun1,2,HOU Shu-mei2,ZHANG Hu-i ming1,ZHANG Zhen-zhong2,YANG Zh-i yong3,ZHANG Z-i li3(1.State Key Laboratory of Engines,T ianjin University,Tianjin 300072,China

3、;2.Chengde Petroleum College;3.Dongfeng Nanchong Automobile Co.,Ltd.)Abstract:In this paper,we first analyzed and selceted the evaluation parameters of intake port flowcharacteristic,and determined the helical intake port structure parameters influencing flow characteristic ofmodel NQ140N CNG engine

4、 modified by diesel engine.The influences of each structure parameter on theflow characteristic were tested separately.T he experimental results indicate the influence of each structureparameter on flow characteristic is not monotonic.Finally,a test method for obtaining a flow characteristicparamete

5、r was put forward.In this paper,a new analysis method based on a large number of test data waspresented,which made the analysis of influence of intake port structure parameter on the flow characteristiceasier.摘要:在分析并选定了评价进气道流通特性的参数的基础上,针对以柴油机为原型机开发的 NQ140N 天然气发动机,确定出影响进气道流通特性的进气道结构参数,并采用试验方法,对原型机进气道

6、各结构参数单独进行定量调整获得了每一进气道结构参数对螺旋进气道流通特性即平均涡流比和平均流量系数的影响。试验结果表明,各进气道结构参数对流通特性的影响并不是完全单调性。最后,给出了达到某一流通特性参数的试验方法。并采用基于大量试验数据的变量分析方法,使进气道结构参数对其流通性能影响的分析更加直观。关键词:内燃机;天然气发动机;进气道结构参数;平均涡流比;平均流通系数Key words:IC engine;CNG engine;inlet duct structure parameter;mean swirlratio;mean flow coefficient中图分类号:TK464文献标识码:

7、A0?概述天然气储量丰富且燃烧特性较好,是目前内燃机成熟的替代燃料。近年来,为提高天然气发动机的性能以满足节能和低排放法规的要求,电控稀燃增压的燃烧模式得到了很大的重视。从燃烧理论讲,稀燃有利于实现严格的排放和经济性指标,但稀燃的良好组织除了要在燃烧室设计、增压器匹配、配气系统优化、电控系统选配等方面作必不可少的配合外,对进气道结构参数的选定同样重要。和柴油内?燃?机?工?程2008 年第 3 期?机不同的是,天然气发动机的进气道不仅要解决涡流形成能力和流动阻力的矛盾,即在较小流动阻力前提下,通过进气道组织相当强度的涡流,以提高火焰传播速率,缩短燃烧时间,从而改善动力性、经济性;同时又要控制涡

8、流强度,使得在燃烧过程中有较小的循环变动时不至于失火保证稳定燃烧 1。要解决天然气发动机特别是稀燃发动机对气道流通特性的要求,首先需要分析进气道的结构型式和结构参数所提供的流通特性。由于进气道,特别是螺旋进气道是一个由多个元素组成的复杂几何体,影响流体经进气道在气缸内形成所需流动状态的结构参数较多,这些参数之间既相互独立又相互影响,而且又都受结构尺寸上的限制,因而,找出影响螺旋进气道的流动特性即影响涡流比和流通系数的结构参数,分析其规律,指出改进方法是将柴油机的进气道改型设计为适用于天然气发动机进气道的关键问题。本文以 NQ6102ZQ 柴油机的螺旋气道为原型,通过大量试验给出了进气道结构参数

9、对天然气发动机气道流通特性的影响及其变化趋势,同时给出了为达到其流通特性参数可采用的试验方法,为以柴油机为原型机开发天然气发动机提供依据。1?流通特性评价参数进气道的流体通过能力和形成涡流的能力是进气道的主要评价指标。尽管目前对进气及燃烧过程中的滚流、紊流等形成机理并不十分清楚,但能量总是守恒的,未发生化学反应时的动量也是守恒的,不管大标度旋流运动的涡流还是小标度的紊流或滚流,都只是进气动量在活塞运动过程中的不同体现形式。这里定义流通系数?和涡流比?来评价进气道的流体通过能力和形成涡流能力。?=mv/mt(1)式中,?为流量系数;?为阻隔系数;mv为通过气道的实际空气质量流量,kg/s;mt为

10、在气道压力降?p下理论上无损失地流过气道自由控制截面 Fp(Fp=d2v?/4)的空气质量流量,kg/s;dv为气门座内径,m。?=nd/n=nd?Vs/(30mv)(2)式中,nd为叶片风速仪转速,r/s;n 为假定模拟气缸内气流的平均轴向流速等于活塞平均速度时,所计算出来的发动机转速,r/s;?为试验气缸内空气密度,kg/m3;Vs为气缸工作容积,m3。对涡流比的整体评价常用的评价方法有 AVL方法、Ricardo 方法、FEV 方法、Swir 方法等,但不管采用轴向流速、质量流量、体积流量中何种方法评价,本质上最后所评价的都应是对进气终点时刻气缸内气体所具有的总动量矩 1的表述。本文工作

11、过程的模拟计算采用 AVL-Fire 软件,这里引用 AVL平均流通系数(?)m和平均涡流比?m的概念 2:(?)m=1?01(?)2c(?)cm3d?-1/2(3)?m=ndnm=1?0ndnc(?)cm2d?(4)式中,?为以弧度计的曲轴转角;c(?)/cm为活塞速度与活塞平均速度之比。2?进气道调整结构参数的确定NQ140N 型天然气发动机进气道采用了原型机NQ6102ZQ 柴油机的螺旋气道 3,如图 1 所示。图 1?NQ140N CNG 发动机进气道示意图按气体流动性质将进气道分为两部分:进气口到 A?A 截面的渐缩加速段和其后的螺旋气道段。螺旋气道段又可分为以气门导管凸台端面为分界

12、的上下两部分,上部为涡流形成区,下部为没有进入涡流形成区的气体以切向气流的形式进入气缸的通道,离开气道的气流由旋流和切向流两部分组成 4,在进入气缸后大致在 1.5 倍缸径处形成统一的绕气缸中心线旋转的涡流,该点也是常规稳流试验台上测量的涡流转速。影响气流流向和流速的主要结构参数有:气道上倾角?、气道下倾角?、螺旋角?、涡流室 H、螺旋段终点角?以及构成气道的两侧曲面曲率,其它参数基本受以上参数控制。构成气道两侧的曲面对涡流比和流通系数的影响很大,但对于形成涡流室的侧曲面必须先通过数学手段保证构成曲面的曲率半径连续光顺,而且每一高度的曲线为二阶以上连续,否则在进气过程中会形成气道内的紊流,从而

13、增大流?26?2008 年第 3 期内?燃?机?工?程动阻力,降低流通系数甚至会使进气道内压力产生非正常波动,所以,单独靠试验方法来修正这两个曲面是不现实的,本文只评价其它几个结构参数对气道流通性能的影响。原型机螺旋进气道结构参数见表 1。表 1?原型机进气道结构参数?!H4?30?2?3?15?25?13mm3?试验方案及结果分析3.1?试验方案所有试验均在气道稳流试验台(图 2)上进行。首先,确定原型机进气道的平均涡流比和平均流通系数;在原型机进气道模型上分多次调整气道上倾角?、气道下倾角?、螺旋角?、涡流室高度 H 和螺旋段终点角?这 5 个结构参数;根据在稳流试验台上测出的涡流比和流通

14、系数曲线,计算出每个调整点的AVL 平均涡流比和平均流通系数,最终得到平均涡流比和平均流通系数随结构参数的变化规律曲线。图 2?气道稳流试验台3.2?试验结果分析3.2.1?原型机测量计算结果表 2?原型机测量计算结果气门升程/mm涡流比流通系统51.4710.45861.6490.49671.7720.52781.9030.55192.0740.577102.2600.589112.3860.598122.5360.601计算结果AVL 平均涡流比为 2.817AVL 平均流通系数为 0.1433.2.2?涡流室高度的影响图 3 为涡流室高度由 13 mm 减少至 4mm 和由13mm 增大

15、至 22.6mm 共 9 个不同高度时平均涡流比和平均流通系数的变化情况。可以看到:平均涡流比出现了 4 次峰值波动,平均流通系数也出现了 4次峰值波动。这是因为涡流室高度的变化引起了气道内旋流和切向流比例的变化,且这种变化又改变了整个气道内气体流通规律和特性。图 3?不同涡流室高度的平均涡流比和平均流通系数3.2.3?螺旋段终点角的影响图 4 为平均涡流比和平均流通系数随螺旋段终点角的变化规律。结果表明:在一定的范围内,平均涡流比随螺旋段终点角增大而减小,平均流通系数则增大。这是因为螺旋段终点角增大使涡流区间减小,气流在气道内的旋进程度减小,致使涡流的形成能力降低,流通阻力减小。图 4?不同

16、螺旋段终点角的平均涡流比和平均流通系数3.2.4?螺旋角的影响图 5 为平均涡流比和平均流通系数随螺旋角的变化规律。试验所采用 NQ6102ZQ 柴油机的螺旋进气道,其以 30?螺旋角为拐点,平均涡流比有最大值。此时,气道内旋流和切向流相互作用形成的涡流转速最高。?27?内?燃?机?工?程2008 年第 3 期?图 5?不同螺旋角的平均涡流比和平均流通系数3.2.5?气道下倾角的影响图 6 为气道下倾角对平均涡流比和平均流通系数的影响。与涡流室高度的影响相近,改变下倾角使得进气流方向发生很大的变化,改变了气道内旋流和切向流的作用状态,导致了涡流比无?规律?的变化,使平均涡流比-气道下倾角的曲线

17、出现多次峰值,而平均流通系数则与之相对应,在相应的平均涡流比峰值处呈明显降低,形成曲线波谷。图 6?不同气道下倾角的平均涡流比和平均流通系数3.2.6?气道上倾角的影响图 7 为气道上倾角对平均涡流比和平均流通系数的影响。随气道上倾角的增加,平均涡流比呈单调增加,平均流通系数呈单调减少。这是因为随上倾角增加,加速段的锥角变大,气流在气道加速段内的流速增加,增大了进气过程的动量,有助于提高进气的旋流速度,使得涡流速度增加,流动损失增大,平均流通系数减小。根据以上试验结果和分析,本文通过只调整螺旋角和螺旋段终点角而设计出了适应天然气发动机的较低涡流比、高流通能力的进气道。按相同程序对朝柴的 610

18、2 型发动机的进气道结构参数进行了调整试验,在变化趋势和规律上得到了相同的结论。图 7?不同气道上倾角的平均涡流比和平均流通系数4?结论(1)对于发动机的螺旋进气道,其结构参数对流通特性的影响是多元的。(2)对流通特性影响最敏感的结构参数是涡流室高度和气道下倾角,其影响都不是单调的。(3)对流通特性影响单调的结构参数是螺旋段终点角和气道上倾角,随螺旋段终点角增大和气道上倾角减小,平均涡流比减小,平均流通系数增大。(4)螺旋角对流通特性的影响存在一个极值点,大于或小于这个角度,平均涡流比都会减小,平均流通系数都会增大。(5)获得某一流通特性参数的最佳途径是,根据单一变化影响,剔除敏感点,充分利用

19、既单调又是变化陡度大的影响因素进行调整,这样不仅达到预期性能要求,而且最大限度地保证工艺性最优。(6)就该类发动机进气道而言,涡流室高度和气道下倾角不宜变动;相对仅调整螺旋段终点角而言,如果可以满足预定的流通特性则是修改气道流通特性最简单易行的方案,如果在结构允许的范围内达不到要求,再进一步调整气道上倾角及螺旋角。参考文献:1?蒋德明.内燃机燃烧学与排放学 M.西安:西安交通大学出版社,2001.2?吴?浩.螺旋进气道结构参数对气道性能的影响 C.中国内燃机学会 2005 年学术年会暨,APC2005 年学术年会论文集,2005:134-138.3?陈万应,张?浩,邓?杰,等.NQ140N 天然气发动机的开发 J.汽车研究与开发,2003(4):11-13.4?清华大学机械系.柴油机旋流进气道的试验和改进?内燃机性能研究 M.北京:机械工业出版社,1981.5:207-213.(编?辑:姜文玲)?28?