论文部分内容阅读
【摘 要】在四冲程汽油发动机机中，进气涡流及滚流对发动机燃料的燃烧具有较大的影响，从而影响着发动机的动力性、经济性和排放性能等。本文以丰田8A发动机作为研究对象，对其进气道的形状进行优化，使获得较好的进气涡流及滚流强度，改善发动机性能。
【关键词】汽油发动机；涡流；滚流；进气道；优化
一、前言
内燃机缸内空气运动对混合气的形成和燃烧过程有着决定性作用。合适的缸内空气运动可以加快燃油与空气的混合速率，提高火焰传播速率，促进燃烧过程中空气与未燃燃料的混合，降低燃烧循环变动，从而影响发动机的动力性、经济型、燃烧噪声和有害气体的排放等。而在四冲程多气门汽油发动机机中，进气涡流和滚流对汽油与空气的混合以及燃烧效果影响更为明显。本文以丰田8A发动机为例，通过对进气道形状进行优化设计，较大的提升了进气涡流和滚流的空气流量系数，从而使发动机动力性能、燃油经济型和有害气体的排放均得到一定的改善。
二、涡流及滚流的基本概念
1、涡流的基本概念
在进气过程中，绕气缸轴线有组织的气流运动，称为进气涡流。其大小由进气道形状和发动机转速决定。在进行行程结束时，在某一半径范围内，缸内气流旋流速度呈缸体流分布，即随着半径增加，切线速度将增加；当超过这一半径，速度呈势流分布，即随着半径的增加，切线速度将减小（可以认为是缸壁摩擦造成的）；当活塞接近于上止点时，刚体流体明显增强，势流运动明显减弱，可以认为此时燃烧室凹坑内的旋流运动为刚体流。进气涡流在压缩行程将逐渐衰减（因气流内摩擦、气流与缸壁摩擦），一般在压缩行程终了时，约有1/4～1/3的初始动量矩被损失掉。在汽油机上，进气涡流主要用于增加火焰传播速率，实现快速燃烧，从而改善燃料燃烧利用率，提高爆发压力。
所以，为了增加进气冲量，对进气道的要求是在尽可能小的阻力下获得足够的涡流强度。为使不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不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不同气门行程下气道形成涡流的能力。
2、涡流的检测
在稳流气道试验台上评定涡流强度的方法：一般采用叶片风速仪测量模拟气缸内涡流的转速或用角动量矩直接测出涡流的角动量，气体流量用流量计测定。测量方法一般采用定压差法，在不同的气门升程下测量叶片的转速和气体流量。 其中，
①流量系数CF=Q/AV0
式中：Q——试验测得的实际空气流量；
A——气门座内截面面积，A=πd2n/4，其中d为气门座内径，n为气门数量；
V0——理论进气速度，V0=，其ΔP为进气道压力降，ρ为气门座处的气体密度。
②涡流数NR=ωRD/V0
式中：ωR——叶片旋转角速度
D——缸径
V0——理论进气速度
③涡流比Ω=叶片旋转角速度ωR/发动机旋转角速度ωe
3、滚流的基本概念
在进气过程中形成的，绕垂直于气缸轴线的有组织的空氣旋流，称为滚流或横轴涡流。滚流较适宜于在四气门汽油机上使用，滚流在压缩过程中其动量衰减较少。当活塞接近于上止点时，大尺度的滚流将破裂成众多小尺度的涡，使湍流强度和湍流动能增加，大大提高火焰传播速率，改善发动机性能。
三、丰田8A发动机进气道的优化
丰田8A发动机缸盖上进气道形状属于典型的切向气道。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进入气缸，从而造成气门口速度分布的不均匀。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。切向进气道结构简单，在对进气涡流要求低时，流动阻力不大，但当对涡流要求高时，由于气门口速度分布过于不均匀，气门流通面积实际上得不到充分利用，气道阻力将很快增加。而且，切向气道对气口的位置较敏感，泥芯误差对气道的质量影响较大。
通过稳流气道试验台测试结果表明，丰田8A发动机的进气道在进气门的升程达到4mm左右时，进气涡流及滚流的流量系数有明显不足的趋势。为提升在气门大升程时的空气流量系数，在进气道喉口位置增加一个半径为R6的圆角加工（如图1），改变气流进气运动形式，从而获得有效的进气涡流及滚流。进气道修改前后的测试结果如图2和图3。从测试结果对比中可以看出，进气道的涡流及滚流的空气流量系数在大气门升程时均得到明显改善。
四、结束语
汽油发动机的缸盖一般采用铝合金材料，而气道一般采用砂模浇铸。气道砂模的定位精度较低，气道内表面粗糙度较差，对气道的进气阻力及进气涡流与滚流均由较大的影响。因此，在优化设计合理的气道结构形状的基础上，还应严格控制气道铸造精度。
参考文献：
[1]周龙保. 内燃机学.北京：机械工业出版社，2011.
[2]袁兆成. 内燃机设计.北京：机械工业出版社，2012.
[3]陆志良. 空气动力学. 北京：北京航空航天大学出版社，2009.
[4]王志. 基于CAD/CAM/CFD的发动机气道研究.《内燃机工程》第3期，2002.
作者简介：
余海洋，男，1981.5，湖北随州人，工程师，主要研究方向：汽车发动机技术.
【关键词】汽油发动机；涡流；滚流；进气道；优化
一、前言
内燃机缸内空气运动对混合气的形成和燃烧过程有着决定性作用。合适的缸内空气运动可以加快燃油与空气的混合速率，提高火焰传播速率，促进燃烧过程中空气与未燃燃料的混合，降低燃烧循环变动，从而影响发动机的动力性、经济型、燃烧噪声和有害气体的排放等。而在四冲程多气门汽油发动机机中，进气涡流和滚流对汽油与空气的混合以及燃烧效果影响更为明显。本文以丰田8A发动机为例，通过对进气道形状进行优化设计，较大的提升了进气涡流和滚流的空气流量系数，从而使发动机动力性能、燃油经济型和有害气体的排放均得到一定的改善。
二、涡流及滚流的基本概念
1、涡流的基本概念
在进气过程中，绕气缸轴线有组织的气流运动，称为进气涡流。其大小由进气道形状和发动机转速决定。在进行行程结束时，在某一半径范围内，缸内气流旋流速度呈缸体流分布，即随着半径增加，切线速度将增加；当超过这一半径，速度呈势流分布，即随着半径的增加，切线速度将减小（可以认为是缸壁摩擦造成的）；当活塞接近于上止点时，刚体流体明显增强，势流运动明显减弱，可以认为此时燃烧室凹坑内的旋流运动为刚体流。进气涡流在压缩行程将逐渐衰减（因气流内摩擦、气流与缸壁摩擦），一般在压缩行程终了时，约有1/4～1/3的初始动量矩被损失掉。在汽油机上，进气涡流主要用于增加火焰传播速率，实现快速燃烧，从而改善燃料燃烧利用率，提高爆发压力。
所以，为了增加进气冲量，对进气道的要求是在尽可能小的阻力下获得足够的涡流强度。为使不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不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不同气门行程下气道形成涡流的能力。
2、涡流的检测
在稳流气道试验台上评定涡流强度的方法：一般采用叶片风速仪测量模拟气缸内涡流的转速或用角动量矩直接测出涡流的角动量，气体流量用流量计测定。测量方法一般采用定压差法，在不同的气门升程下测量叶片的转速和气体流量。 其中，
①流量系数CF=Q/AV0
式中：Q——试验测得的实际空气流量；
A——气门座内截面面积，A=πd2n/4，其中d为气门座内径，n为气门数量；
V0——理论进气速度，V0=，其ΔP为进气道压力降，ρ为气门座处的气体密度。
②涡流数NR=ωRD/V0
式中：ωR——叶片旋转角速度
D——缸径
V0——理论进气速度
③涡流比Ω=叶片旋转角速度ωR/发动机旋转角速度ωe
3、滚流的基本概念
在进气过程中形成的，绕垂直于气缸轴线的有组织的空氣旋流，称为滚流或横轴涡流。滚流较适宜于在四气门汽油机上使用，滚流在压缩过程中其动量衰减较少。当活塞接近于上止点时，大尺度的滚流将破裂成众多小尺度的涡，使湍流强度和湍流动能增加，大大提高火焰传播速率，改善发动机性能。
三、丰田8A发动机进气道的优化
丰田8A发动机缸盖上进气道形状属于典型的切向气道。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进入气缸，从而造成气门口速度分布的不均匀。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。切向进气道结构简单，在对进气涡流要求低时，流动阻力不大，但当对涡流要求高时，由于气门口速度分布过于不均匀，气门流通面积实际上得不到充分利用，气道阻力将很快增加。而且，切向气道对气口的位置较敏感，泥芯误差对气道的质量影响较大。
通过稳流气道试验台测试结果表明，丰田8A发动机的进气道在进气门的升程达到4mm左右时，进气涡流及滚流的流量系数有明显不足的趋势。为提升在气门大升程时的空气流量系数，在进气道喉口位置增加一个半径为R6的圆角加工（如图1），改变气流进气运动形式，从而获得有效的进气涡流及滚流。进气道修改前后的测试结果如图2和图3。从测试结果对比中可以看出，进气道的涡流及滚流的空气流量系数在大气门升程时均得到明显改善。
四、结束语
汽油发动机的缸盖一般采用铝合金材料，而气道一般采用砂模浇铸。气道砂模的定位精度较低，气道内表面粗糙度较差，对气道的进气阻力及进气涡流与滚流均由较大的影响。因此，在优化设计合理的气道结构形状的基础上，还应严格控制气道铸造精度。
参考文献：
[1]周龙保. 内燃机学.北京：机械工业出版社，2011.
[2]袁兆成. 内燃机设计.北京：机械工业出版社，2012.
[3]陆志良. 空气动力学. 北京：北京航空航天大学出版社，2009.
[4]王志. 基于CAD/CAM/CFD的发动机气道研究.《内燃机工程》第3期，2002.
作者简介：
余海洋，男，1981.5，湖北随州人，工程师，主要研究方向：汽车发动机技术.