CN105910829B - 大缸径内燃机气道的稳流实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大缸径内燃机气道的稳流实验方法，具体为：将欲设计的大缸径内燃机气道结构尺寸等比例缩小；原始气道芯盒与缩小后气道芯盒的尺寸比例小于4:1，缩小后的气道芯盒所对应的缸径大于50mm；气道实验过程中根据气门升程与气门座圈内径的比值，流体雷诺数为60000～90000。对缩小比例后的气道芯盒进行实验，可以采用涡流动量计进行测试，以便获取更高的测试精度。本发明将大缸径内燃机气道结构尺寸等比例缩小，通过对缩小尺寸的气道芯盒开展稳流实验，进而间接预测原始气道的稳流实验结果，该测试方法不仅测试精度高，且能大幅度缩小气道开发周期及成本。

Description

大缸径内燃机气道的稳流实验方法
技术领域
本发明属于内燃机部件性能测试技术，主要涉及一种对内燃机气道流动性能进行测试的方法。
背景技术
气缸直径较大的内燃机具有功率大、能耗低等优点，该类发动机主要被应用于发电机组、重型机械以及船舶动力。进气道作为内燃机的“咽喉”，气道形状参数显著影响着缸内气体的流动和燃烧状况，从而在很大程度上影响着内燃机的动力性、经济性和排放特性，因此进气道技术参数一直是内燃机设计的重点之一。然而在气道研发过程中，必须进行稳态流动实验，以便对设计结果进行实验验证。进行普通缸径进气道实验时可利用标准芯盒，但由于大缸径内燃机体积较大，需要制作专用于稳流实验的气道芯盒。这样制造非标准芯盒所需的周期往往较长且成本较高，由此也增加了气道研发费用和开发周期。本发明提出了一种新的气道稳流实验方法，不仅测试精度高，且能大幅度缩小气道开发周期及成本。
发明内容
本发明的目的是，提供一种气道稳流实验方法，用于大缸径内燃机气道性能的测试，可以大幅度的缩短气道的开发周期和成本。
大缸径内燃机气道的稳流实验方法，具体为：
(1)将欲设计的大缸径内燃机气道结构尺寸等比例缩小；
(2)原始气道芯盒与缩小后气道芯盒的尺寸比例小于4:1，缩小后的气道芯盒所对应的缸径应大于50mm；
(3)气道实验过程中，气门升程与气门座圈内径比值为0.1时，流体的雷诺数Re大于60000，在气门升程与气门座圈内径比值为0.25时，Re数大于90000。
气道稳态流动实验的原理是在缸盖气道或气道芯盒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，获得进气量以及气流运动强度等测试结果，通过计算获取流量系数以及涡流强度等评价参数。
进行涡流强度测量通常有两种方法，一是采用叶片风速仪测量气流的旋转速度；二是采用涡流动量计测量气流旋转的角动量流率。前者由于其摩擦阻力较大对微弱气流反映不灵敏，而且当气流的旋转速度较高时，缸内流场会强制形成一个刚体涡，导致缸内流场失真。采用涡流动量计由于结构限制仅能应用于缸径小于200mm的内燃机，所以大缸径内燃机的实验只能采用叶片风速仪测试，但是实验精度相对较差。本发明所提出的气道稳流实验方法，对气道芯盒的尺寸进行缩小，那么气道芯盒所对应的缸径就可以减小至200mm以下，就样可以采用涡流动量计进行测试，间接得到原始气道的稳流实验结果。
此外，在进行稳流试验时，由于大缸径内燃机气道缸径较大，为了使试验过程中缸内达到充分发展的湍流状态，对风机的进气量要求很高。以缸径250mm内燃机气道为例，为了满足测试要求，风机的吸气能力必须大于200L/s。若将气道芯盒等比例缩小为1/4，则风机的吸气能力只需大于50L/s即可满足试验要求。
本发明的特点以及产生的有益效果是，与传统的稳流试验方法相比，气道芯盒缩小后由于芯盒质量的减小，实验过程更加便利，对试验装置尤其是风机的要求也大幅度降低，加工气道芯盒的成本和周期可节省80％以上，此外，采用缩小芯盒进行稳流试验能够使用涡流动量计进行试验，测试精度更高。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的方法过程做进一步的说明。大缸径内燃机气道的稳流实验方法为：
(1)将欲设计的大缸径内燃机气道结构尺寸等比例缩小；
(2)原始气道芯盒与缩小后气道芯盒的尺寸比例小于4:1，缩小后的气道芯盒所对应的缸径应大于50mm；
(3)气道实验过程中，气门升程与气门座圈内径比值为0.1时，流体的雷诺数Re大于60000，在气门升程与气门座圈内径比值为0.25时，Re数大于90000。
对缩小比例后的气道芯盒进行实验，采用涡流动量计进行测试，可以获取更高的测试精度。
在进行原始尺寸气道芯盒与缩小尺寸气道芯盒对比试验时，两者雷诺数不必保持一致，只需满足气门升程与气门座圈内径比值与雷诺数的关系即可。对于气道芯盒来说，缩小后气道芯盒对应的缸径有一定的要求。若缩小比例过大，一方面加工精度难以保证，另一方面流动边界层厚度与缩小比例存在着非线性变化关系。而当缩小比例太大时，流动边界层相对厚度将会增加，加剧了流场中的粘性损失和摩擦损失，导致缩小模型气道芯盒测试结果不具有代表意义。
在实验过程中设置气道压差时，必须保证缸内气流达到充分发展的湍流状态，通常用Re数进行判断缸内是否达到充分发展湍流。
式中，μ为空气的动力粘度，ρ为空气密度，Cf为流量系数，V0为速度头，D为气门座圈内径。
等比例缩小气道芯盒的缸径小于200mm，所以就可采用涡流动量计进行测量，获取更加可靠的涡流比测试结果。
以某缸径270mm柴油机气道为例，分别加工了原始气道芯盒(缸径270mm)和按比例3:1缩小了气道芯盒，(缸径90mm)，由于缸径小于200mm，故可以采用涡流动量计进行测量。与此同时模拟缸套、气门、气门升程以及气门座圈也应按相同比例缩小。具体情况如表1所示。
表1原始气道芯盒与等比例缩小芯盒相关参数
原始气道芯盒 等比例缩小气道芯盒
汽缸直径(mm) 270 90
模拟缸套内径(mm) 270 90
模拟缸套高度(mm) 675 225
气门升程(mm) 21 7
气门座圈内径(mm) 60 20
芯盒长×宽×高(mm) 600×420×360 200×140×120
加工费(万元) 6 1
加工时间(周) 3 0.5
由于原始气道芯盒无法采用涡流动量计进行测量，所以首先采用叶片风速仪分别对原始尺寸芯盒和缩小尺寸芯盒展开稳态流动实验以进行对比。
原始气道芯盒在不同气门升程下的压差设置为2000pa，等比例缩小的气道芯盒压差设置为4000pa，实验结果如表2所示。
虽然两者Re数不同，但是从表中可以发现两者在不同气门升程下的流量系数偏差小于4％，涡流强度的偏差小于0.05，因此两者的实验结果是一致的。说明通过对缩小尺寸的气道芯盒开展稳流实验，可以间接预测原始气道的稳流实验结果。
表2原始气道芯盒与等比例缩小芯盒稳流实验结果
实验结果显示，在测试过程中只需缸内流场满足充分发展的湍流状态，两者采用叶片风速仪的测试结果基本是一致的。所以对缩小气道芯盒气道进行稳流试验时，可直接采用涡流动量计进行测试，进而获取更高的测试精度。

Claims (2)

1.大缸径内燃机气道的稳流实验方法，其特征在于所述的实验方法为：
(1)将欲设计的大缸径内燃机气道结构尺寸等比例缩小；
(2)原始气道芯盒与缩小后气道芯盒的尺寸比例小于4:1，缩小后的气道芯盒所对应的缸径大于50mm；
(3)在实验过程中，气门升程与气门座圈内径比值为0.1时，流体的雷诺数Re大于60000，在气门升程与气门座圈内径比值为0.25时，雷诺数Re大于90000。
2.按照权利要求1所述的大缸径内燃机气道的稳流实验方法，其特征在于：对缩小比例后的气道芯盒进行实验，采用涡流动量计进行测试。
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