滚流测试装置对汽油机进气道稳流试验的影响

张海蓉，张伟，王天友

(1.泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201； 2.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)



滚流测试装置对汽油机进气道稳流试验的影响

张海蓉1，张伟1，王天友2

(1.泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201； 2.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

采用气道稳流试验对缸内滚流进行测试和评价是广为采用并行之有效的方法，但是由于没有统一的标准，滚流测试装置结构的差异对测试结果造成了较大影响，针对此问题，着重研究了不同结构的滚流模拟缸套对稳流试验结果的影响。研究表明：缸头结构对滚流比的影响幅度接近20%；缸套高度每增加一倍缸径，滚流比的衰减幅度约为6%；滚流强度测试结果与出气口直径成反比，当出气口直径接近缸径，为0.857B时，跃升现象不再出现。

进气道； 稳流试验； 滚流比； 模拟缸套； 评价方法

内燃机缸内气流运动对混合气的形成和燃烧过程有决定性的影响，直接影响着内燃机的动力性、经济性以及其他特性[1-2]。而缸内气流运动在很大程度上受气道流动性能影响，因此进气道设计十分重要。在进气系统开发过程中，通常采用稳态流动试验方法对气道进行测试和评价。该方法可以追溯到20世纪60年代，自从D.Fitzgeorge等人采用气道稳流试验台进行气道的研制工作以后，气道稳流试验台已经成为气道流动性能的重要研究工具，至今仍被广为采用。

但实际发动机运行过程中，内燃机缸内气流运动随活塞和气门的运动周期性变化，与稳态流动试验状态差异较大。为了使预测出的进气道稳态流动性能尽可能接近实际发动机的运行状态，各国学者针对稳态流动试验提出了不同的评价方法[3-6]。但是到目前为止，对于滚流的测试仍然没有一个统一的标准，不同测试装置的滚流测试结果在进行比较时仅具有相对参考意义，对指导进气道产品设计及研究而言，有一定的局限性。基于上述认识，对不同结构设计的汽油机进气道滚流测试装置进行了试验研究，以便深入理解试验装置对测试结果的影响规律。

1 试验装置与评价方法

1.1 气道稳流试验台

图1示出天津大学自行研制的气道稳流试验台[7-8]，原理是利用风机抽气在缸盖气道上下游形成一定的气道压差，通过测量气门升程、气道压差、动量计扭矩(或叶片转速)、流量、大气压力、温度和湿度等参数，计算得出与气道流动特性相关的评价参数，如流量系数、滚流强度等。

1.2 评价方法

1) 间接测量

在间接测量方法中，对某个气门升程气道流通能力采用了流量系数(Cf)进行评价。

(1)

式中：Q为气体流量；n为进气门数；V0为理论进气速度；A为气门座内截面积。

对于整个进气历程，气道流通能力采用了平均流量系数(Cfm)进行评价。

(2)

式中：C(α)为实际活塞速度；Cm为活塞平均速度；α为对应的曲轴转角。

在评价缸内气流运动强度时，对于某个气门升程状态，采用滚流强度进行评价。

(3)

对于整个进气历程的滚流比，其定义为进气终了时气流的旋转速度与发动机曲轴转速之比。

(4)

式中：ρ为密度；nD为某气门升程下叶片的旋转速度；Vh为排量；m′为气体流量；ne为发动机转速。

2) 直接测量

在直接评价方法中，采用流量系数(αk)评价气道的流通能力，其定义为进气道有效流通截面积与气缸截面积之比。

(5)

式中：As为进气道(包括气门座和气阀)有效流通截面积；Ak为气缸截面积。

对于气流运动强度的评价，采用Cu/Ca进行评价，其定义为叶片旋转中心的切向速度与气缸中气流轴向速度之比。

Cu=2π·Ns·RFL，

(6)

(7)

式中：Ns为叶片的旋转速度；RFL为叶片旋转中心半径，约为0.365倍气缸直径。

对于整个进气过程的综合评价，采用90%最大气门升程状态下对应的αk及Cu/Ca进行评价。

1.3 模拟缸套结构设计

滚流的测试方法可以分为间接测量和直接测量两种方法[9]。间接测试方法(见图2a)在一定程度上借鉴了涡流的测试方法，由于滚流与涡流的旋转轴心偏差90°，所以间接测量方法一般采用一个T型或L型的弯头结构，将滚流转化为涡流后进行测量。直接测量方法(见图2b)通常采用一个直径约为0.73倍缸径的环形叶片放置在距离缸盖底面0.5倍缸径距离截面，稳流试验过程中，气流带动叶片旋转，通过测量环形叶片的旋转速度即可对滚流进行评价。

针对上述两种测量方法，为了研究滚流模拟缸套对稳流测试结果的影响，本研究从缸头结构、缸套长度以及出气口直径3个方面进行了试验研究。

1) 当采用L型间接测量方式测试滚流时，将滚流模拟缸套设计为缸头、缸套两部分(见图3a)。设计并制作了3种型式的缸头(见图4)，根据缸盖相对的缸头底面分别命名为平面缸头、弧面缸头和球面缸头。

2) 针对缸套，考虑到缸径的影响，同时兼顾模拟缸筒结构对流动的影响，共设定了5种高度，分别是127，200，272，345，500 mm。

3) 采用直接测量法进行稳流试验过程中，当气流由气道进入气缸时，在燃烧室以及模拟缸套壁面的引导下形成了大尺度的滚流，然后由出气口流出(见图3b)。根据角动量守恒原理，由于出气口直径小于气缸直径(B)，因此靠近出气口位置的气流旋转速度必然大于气缸中心气流的旋转速度，即出气口尺寸对测试结果有较大的影响。所以分别研究了出气口直径为0.35B，0.495B，0.7B，0.857B对应的滚流模拟缸套对稳态流动试验结果的影响。

1.4 试验条件

在试验过程中，环境温度为(25±5) ℃，大气压为(101.1±1)kPa，湿度为58%±5%，主要采用了变压差稳流试验方法[10]。试验采用泛亚公司研制的汽油机缸盖。

2 试验结果及分析

2.1 缸头结构对测试结果的影响(间接测量方式)

图5和图6分别示出采用不同缸头结构滚流模拟缸套的稳流测试结果，缸套高度均为500mm。为验证规律的一般性，在1号缸和2号缸分别进行了稳流测试试验(见图7和图8)。从图中可以发现，缸头结构对流量系数几乎没有影响，所以平均流量系数基本一致。对于滚流强度及滚流比，其测试结果受缸头结构影响较大。滚流强度随气门升程变化趋势基本一致。其中，1号缸头结构与真实发动机结构最为接近，但在滚流转化为涡流的过程中损失的角动量流率最大，所以其测试得出的滚流比最小。以第1缸测得数据为例，与1号缸头(平面缸头)相比，2号缸头(弧面缸头)滚流比变化幅度为18.6%，3号缸头(球面缸头)滚流比变化幅度为19.2%。

2.2 缸套高度对测试结果的影响(间接测量方式)

图9至图12分别比较分析了127，200，272，345，500mm5种高度缸套下的测试结果，所有数据均为两次测量平均值。从图9和图11中可以看出，缸套高度对流量系数影响极小，平均流量系数的变化几乎可以忽略。从图10中可以看出，不同高度缸套的滚流强度随气门升程增加的变化趋势一致。但是缸套高度的增加必然会加剧缸内角动量流率的衰减，所以滚流强度随缸套高度的增加呈减小趋势。

为了进一步研究滚流比随缸套高度增加的衰减规律，对2号及3号缸头也进行了试验，试验结果见图12。研究结果发现，模拟缸套高度每增加一倍缸径，滚流比降低幅度约为6%。

2.3 出气口直径对测试结果的影响(直接测量方式)

图13示出采用直接测量方法获得的试验结果，与L型间接测试方法获得的滚流强度有较大差异，对比图6可以发现，当气门升程达到8mm时，直接测量获得的滚流强度捕捉到明显的跃升现象，滚流强度由8mm的0.855跃升至9mm的2.527，而L型间接测试结果并没有跃升现象发生。其次，间接测试获得的滚流强度远低于直接测试获得的滚流强度。测试结果的差异由两方面原因造成，一是评价方法之间的差异，二是直接测试方法中滚流模拟缸套的结构。

根据前文分析，由于缸内角动量流率守恒，直接测试装置中出气口直径小于气缸直径，因此靠近出气口位置的气流旋转速度必然大于气缸中心气流的旋转速度，该结构会放大缸内气流的真实旋转速度，所以滚流强度不仅在数值上偏大且有跃升现象出现。图14示出不同出气口直径滚流模拟缸套的测试结果，随着出气口直径的增加，滚流强度整体呈衰减趋势，跃升幅度也大幅下降，当出气口直径接近缸径，为0.857B时，跃升现象消失。

3 结论

a) 滚流模拟缸套结构对流量系数的影响较小，几乎可以忽略，但是对滚流强度有较大影响；

b) 对于间接测量方式，采用不同结构形式缸头测试得出的滚流强度随气门升程增加的变化趋势一致；其中，采用平面缸头测试得出的滚流比最小，与平面缸头测试结果相比，弧面缸头测试得出滚流比变化幅度为18.6%，球面缸头测试得出滚流比变化幅度为19.2%；缸套高度与滚流强度测试结果成反比，模拟缸套高度每增加一倍缸径，滚流比降低幅度约为6%；

c) 对于直接测量方式，滚流强度在中等气门升程将会出现跃升现象，根据角动量守恒原理，滚流强度跃升幅度与出气口直径成反比，当出气口直径接近缸径，为0.857B时，跃升现象不再出现。

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[编辑：潘丽丽]

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

张海蓉(1982—)，女，工程师，硕士，主要研究方向为发动机子系统试验；hairong_zhang@yeah.net。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.017

TK413.44

B

1001-2222(2015)02-0083-05