螺旋进气道铸造缺陷对气道性能影响的试验研究

螺旋进气道铸造缺陷对气道性能影响的试验研究 螺旋进气道铸造缺陷对气道性能影响的试 验研究 试验?测试? 螺旋进气道铸造缺陷对气道性能影响的试验研究 天津大学肖浩栋 百函 李玉峰 宫卫东 广西玉柴机器股份有限公司卓松芳,/洗捷 刘书亮许振忠c,(牛6./7 妻川7JS-22/邱瑞兴?丫 . 能流.卉疆,亭嚣i’for油lnRllce . 螺嵌谴臼气礼主题词:进气系统铸造性能油.当友乏i:谴.亭走f为.气 磊 1前言 进气道内的进气阻力和涡流强度对于内燃机 的燃烧过程有着非常重要的影响,并因而影响柴油 机的经济性,动力性及排放指标.因此设计结构 良好的进气道一直是柴油机设计人员的追求目 标.但在气缸盖生产过程中,却不可避免地存在 着改变进气道结构的铸造误差.例如,气道泥芯 在铸造过程中漂芯造成的气道整体倾斜,以及在 制造气道泥芯过程中,气道芯盒分型面夹沙造成 的气道纵向胀大等.漂芯和胀大等铸造误差将导 致气道涡流比和流量系数发生变化,致使发动机 燃烧恶化,性能下降. 汽车工业发达国家在气缸盖生产线上用专用 的气道试验台检测进气道的性能,把进气道不合 格的缸盖检测出来,保证发动机产品的良好性 能但这种检测是放在缸盖生产线的最后一道工 序,它要求在气缸盖加工完成,装配好气阀,气 阀座和气阀导管的情况下进行试验.如果有一个 缸的进气道不合格,就不得不将一个缸盖产品报 废,这将给气缸盖的生产造成很大的浪费和经济 损失. 本试验在发动机气道稳流试验台上,模拟了 YC6108柴油机进气道倾斜,胀大情况,利用Ri. cardo和FEV气道性能评价指标,研究铸造误差如 何影响进气道性能,及在多大程度上影响流量 系数和涡流强度. 2气道稳流试验台及气道性能评价 2.1气道稳流试验台 该试验台主要包括试验台桌,稳压简体,管 路和转换调节阀,离心风机,数据采集仪,计算 机和打印机等部分,如图1所示. 气道芯盒安放在试验台桌上,进气道压差保 持在3.43kPa左右.在测量进气道过程中,被测 的参数有气门升程,叶片转速,进气道压差,进 气孔板前压差,气体流量及流体温度.该试验台 流量系数测量误差小于0.5%,涡流强度误差小 稳定性也至关重要. 参考文献 1钱耀义汽车发动机电子控制系统.北京:机械工业出 版社.1999. 2000年第l2期 2王遂双等汽车电子控制系统的原理与检修.北京:北 京理工大学出版社,1995. (责任编辑吕光源) 修改穑收到臼期为2000年1O月8日. 一 17m 一 ], ? 试验?测试? 图1气道稳流试验台 2.2气道性能评价及评价指标 由于在实际运转的发动机上气道内的气体流 动随活塞和气门的运动而周期性变化,很难对它 们进行精确测量和评价.目前国内外通常使用Ri— cardo,AVL,FEV或西南研究院方法进行气道性 能的评价.在本次试验中,采用了Ricardo和FEV 方法对进气道中的流体通过能力和涡流强度进行 评价 Ricardo方法假定气道中的流动是不可压缩和 绝热过程,气道两端的压差为一恒值,发动机容 积效率100%,进气过程发生在进气门打开和进 气门关闭之间.Ricardo方法用流量系数(流过 气门阀座的实际空气流率与理论空气流率之比) 和涡流比(模拟气缸中涡流旋转的转速与发动 机曲轴转速之比),来分别表示气道的流体通过 能力和涡流强度. a.无量纲流量系数 一 A- 式中,Q为气体流量;A为气门阀座内截面面 积;!/o为理论进气速度. 而A:百-dv?n/4:V0=担-~4p/p 式中,为气门阀座内径;n为每缸进气门数; 却为进气道压差;P为气体密度. b.无量纲涡流数 式中,m为涡流旋转角速度;B为气缸直径. c.进气终了涡流比 B-S?iC--da 凡四CFdH.?lJ?dl’ 式中,为发动机曲轴旋转角速度:S为发动机冲 程;-,:为气门开启和关闭时的曲轴转角. d平均流量系数 己:上fC.d2一I… 一 18一 FEV方法假定进气过程为可压缩绝热过程,采 用参数(进气道有效流通截面积与活塞顶面面积 之比)和/c(叶片旋转中心的切向速度与气缸 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. FEV采用发动机在9O%最大气门升程时所对 应的d和/C.作为气道的平均流通系数和平均 涡流强度,以此评价进气道的进气的流通能力和 涡流强度. 从后述标准气道的试验结果可以看出,虽然 采用Ricardo和FEV评价指标得到的涡流比,流量 系数的具体数值不同,但其变化趋势一致因此 本文只给出倾斜,胀大气道流动特性的Ricardo评 价结果. 3试验 在试验之前,将气道芯盒底部均匀削去5.5 111111,并制作了厚度同样为5.5mm的标准镶盘和 另一斜度为1:50的倾斜圆盘,同时制作了斜度为 1:50的倾斜阀座和气门导管. 3.1标准气道试验 进行标准气道试验时,将标准镶盘镶嵌在气 道芯盒底部,使气道结构保持与标准气道一致, 并使用标准的气门阀座和气门导管. 3.2倾斜气道试验 气道倾斜主要是由于气道泥芯在铸造过程中 漂芯或定位问题造成的,因此气道整体形状并不 发生变化,只是气道蜗壳中心线相对于阀座中心 线倾斜成一定角度.在进行倾斜气道性能试验 时,将倾斜圆盘镶嵌在气道芯盒底部,并安装倾 斜阀座和倾斜气门导管,以模拟气道倾斜状况. 在该试验中,设定气道倾斜度为1:50.为研究不 同倾斜方向对气道性能的影响,将倾斜阀座,倾 斜导管和倾斜圆盘沿圆周方向均分为8个工位, 同时在倾斜圆盘和阀座上设置定位孔作定位用, 试验中阀座,导管,倾斜圆盘按俯视顺时针方向 同时旋转(如图2所示). 在进行倾斜试验时,当气门升程为零时,必 须保证气阀和阀座结合面良好吻合. 3.3胀大气道试验 在缸盖铸造过程中,由于气道芯盒分型面之 间混进沙子等原因,会使气道纵向胀大.在气道 胀大试验中,采取在分型面之间粘贴不同厚度纸 张的方法获得不同程度的胀大(如图3所示). 汽车技术 试验-测试 图2倾斜气道示意图 图3胀大气道示意图 3.4倾斜,胀大气道综合试验 0 0 C 0 0 固 定位孔 气门升程/mm (a)Ricardo 在铸造过程中,不仅会出现气道倾斜或胀大 的现象,而且在很多情况下,二者可能同时出 现.为研究二者的综合影响,在试验中,采用在 倾斜气道的分型面之间粘贴不同厚度纸张的方 法,模拟既倾斜又胀大的气道情况. 4试验结果及分析 4.1标准气道试验结果 图4分别为用Ricardo和FEV方法评价 YC6108Q柴油机标准进气道的性能曲线.在试验 中,分别采用了阀座最小直径不等的大,小气阀 作为标准进气道的气阀(其中大气阀阀座的内径为 42mm,小气阔阀座内径为40mm).表1给出了 标准气道的性能参数. 轰1 从表中可以看出,标准气道配用较大气阀和 阀座时,流量系数有了明显提高,但涡流比却有 所降低.在随后的倾斜和胀大试验中,均采用大 气阀. 图4标准气道性能曲线 4.2倾斜气道试验结果 图5分别显示了进气道倾斜时各个工位流量 系数和涡流比的变化规律.从图中可以看出,当气 道倾斜后,气道的流量系数普遍低于标准气道,但 减小的幅度不大,基本在2%以内.涡流比随气道 倾斜方向的不同而呈现不同的变化规律,变化幅度 较大,达到了4-11%.当工位1旋转4-90.时(工 位1,2,3,8),涡流比大于标准气道.而当工 位1旋转90.一270.之间时(工位4,5,6,7), 涡流比小于标准气道,并且在45.时(第2工位) 2000年第12期 气门升程/mm (b)FEV 涡流比达到最大值,在180.(第5工位)时涡流 比达到最小值 在螺旋气道中,气体流动可以分解成平行于 气缸轴线方向和沿水平切线方向的流动.在气道 压差,气道最小截面保持不变的情况下,二者的 矢量和是保持恒定的.在4,5,6,7工位,倾斜 镶盘的较厚部分位于进气道的进口方向,相当于 气道向上抬高,因而气道中气体平行于气缸轴线 的垂直分量增大,而切线方向的水平分量减小, 而正是水平分量造成缸内涡流,因此在第4,5, ? 试验?测试? 6,7工位时进气道的的涡流强度降低,反之第 1,2,3,8工位进气道涡流强度增大. 6 ,一 :\\v/’_?? 旋转角度,竹 图5倾斜气道性能曲线 4.3胀大气道试验结果 图6给出了气道纵向胀大情况下气道性能的 变化.从图中可以看出气道纵向胀大不但降低了 流量系数,而且使涡流比减小,气道性能的恶化 非常明显.这种纵向胀大在生产加工中应该极力 避免.任何发动机气道的各个截面都有一个最佳 值,气道截面大于或小于这一最佳值时,都会引 S结论 0 起气道性能的恶化. 4.4倾斜,胀大气道综合试验结果 既有倾斜误差又存在胀大误差的气道,当胀 大误差小于1mm时,各个工位的流量系数和涡流 强度与倾斜气道各个工位的流量系数和涡流强度 几乎没有大的变化.而当胀大误差大于1mm时, 气道性能曲线与倾斜气道的变化趋势基本一致, 只是由于胀大的作用,而使得曲线在不同程度上 下降.图7显示了胀大误差分别为1mm和2mm 时倾斜气道的性能随工位的变化趋势. 034 033 032 03l ? 旋,0 ..” 090 (0t)胀大1mm 图7倾斜,胀大综合气道性能曲线 通过上述模拟试验研究,得到下面结论: 气道倾斜对气道涡流比影响较大,气道进口 处抬高使涡流比减小,进口处降低涡流比增 大. 气道纵向胀大使得无论是流量系数还是涡流 比都将降低但如果胀大控制在0.8mm以内,降 低幅度不明显.当胀大超过1mm时,气道性能明 显下降,在生产过程中应极力避免. 在气道既倾斜又胀大的情况下,流量系数及 涡流强度曲线变化趋势与倾斜气道相一致,但由 于胀大的影响,曲线整体下移. 1802703? 旋转角度, {b)胀大2mm 参考文献 1史绍熙等.四气门汽油机进气道及缸内流动特征.天津 大学(增刊),1996(6) 2黄宜谅等直喷式柴油机进气道测试方法的研究.内燃 机工程,1982(4) 3RichterA.螺旋形进气道.国外内燃机,1990(2) 4KiyemiNakakita.卧式单缸直喷式柴油机用螺旋进气遭 式吸气系统.国外内燃机,1991(1) (责任编辑吕光源) 修改稿收到日期为2000年4月26日 汽车技术 975