四气门车用柴油机进气道设计及试验评价

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1、四气门车用柴油机进气道设计及试验评价2设计方案2.1进气道的组合方案四气门进气道的组合和二气门相比,其流通截面大大增加，但总流量系数却略有降低。为了获得更好的性能指标，四气门柴油机仍需要一定强度的进气涡流。可以采用切向进气道或螺旋进气道形成进气涡流。每缸二个进气门就有选择不同进气道组合的多种可能。进气道组合不同，其相互作用、对进气涡流和进气流量的影响也不同。在两个进气道气门出口处存在着气流干扰现象,因而合理布置两个进气道显得尤其重要。如果采用两个切向气道(图1ａ)相互组合时,气流干涉效应小,也可获得较高的进气速度,但切向气道形成的涡流强度小。如果采用两个螺旋气道(图1ｄ),旋向相同时，涡流过

2、于强烈；旋向相反时，气门出口处气流会产生强烈的相互影响,进气阻力增加,流通性能不理想，因而不宜采用两个螺旋气道的组合。采用螺旋气道和切向气道和相组合时(图1ｂ和图1ｃ),可以产生适度的涡流,对需要涡流支持的油气混合十分有益。但究竟是采用长螺旋气道和短切向气道的组合还是采用短螺旋气道和长切向气道的组合，研究认为，图1ｃ所示切向气道产生的高速气流会对螺旋气道产生的涡流起破坏作用,且会造成阻塞,图ｂ的气道组合方式则可在充气速度和涡流强度方面获得一个很好的折中。因此，确定采用图1b的气道组合方式。设计两个方案，方案一没有鼻梁，方案二在两个进气门之间设置鼻梁。图1四气门的气道组合方式（a）两切向气道组

3、合（b）长切向短螺旋气道组合（c）短切向长螺旋气道组合（d）两螺旋气道组合2.2设计要点在达到气门流通面积要求的同时,缸盖要有的足够热强度。因为设计水套使冷却水容易接近气门鼻梁和喷油区,故气门鼻梁区的厚度至少为缸径的8%。气门布置方式采用垂直式的气门布置(同名气门中心连线与发动机轴线垂直),螺旋气道的气门导管凸台和相邻涡流运动的主要流道部分能得到合适的布置,便于气道的设计。必须保证鼻梁区有足够高的冷却水流速度，消除三角地带的金属堆积，使冷却可靠，并使铸造废品率下降。3进气模拟进气道及气缸内气体流动是三维、不定常并伴随有传热和摩擦等现象的可压缩气体流动。采用非结构化CFD软件FLUENT6.1

4、来分析从气道到气缸内的流动。壁面为绝热、无滑移、无渗透，采用湍流壁面函数对边界层进行处理，温度壁面边界采用定温条件，设定某工况中冷后的温度373k，在此给定压差为3.9kPa，进口为压力1.40355×105Pa，出口为气道出口压力为1.36455×105Pa，气门升程为1mm。如图2所示两气门缸盖在Y-Z平面内沿X轴方向的进气迹线图，图3所示为四气门缸盖没有鼻梁的第一个方案在Y-Z平面内沿X轴方向的进气迹线图。两气门缸盖进气道为切向气道，所以涡流主要靠气缸壁对气流的作用而产生。在气门升程为1mm时，所对应气缸内各个位置的平均流速均要比四气门的小。这是因为单进气道因气门处的截面突然变小而导致

5、局部阻力比较大，进气气流的流动损失增大，使缸内气流的平均流速较小。双进气道方案总的局部阻力小，故有较高的平均流速。对于两气门缸盖进气道，在气门升程较小时，局部阻力大，容易使气流在气门处产生分离，气流主要集中在气缸内壁附近，涡流的中心沿气缸轴心方向，但偏移轴心一定距离。对于四气门方案，由图可以看出，缸内气流流动复杂区域集中在缸盖顶部至一倍缸径区域内，并且两股气流在气道于气缸的入口处有明显的交汇，在0.5倍的缸径区域内，气流流动表现得比较混乱。因为两个进气道中一个为螺旋气道，一个为切向气道，所以在0.5倍缸径区域以外，经螺旋气道出来的气流表现为明显的环绕气缸轴线作横向滚动的旋流，经切向气道出来的

6、气流则表现为明显的沿缸壁附近的涡流。图2两气门缸盖在Y-Z平面内沿X轴方向的进气迹线图（图中数据为流速）图3四气门缸盖在Y-Z平面内沿X轴方向的进气迹线图（图中数据为流速）4试验评价4.1气道稳流试验气道稳流试验采用天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室研制的TUST-IV型气道稳流试验台，其主要的测试仪器，如微压差传感器、涡街流量计、涡流计、温度传感器、气门升程传感器等的测量精度都在±1%以内。采用Ricardo、FEV的评价方法计算涡流比和流量系数等气道参数，试验结果具有横向和纵向可比性。方案一、二第一缸的气道测量参数对比如表1所示。气门升程(mm)流量Q2(m3/s)流量系数Cf涡流比Nr

7、流量系数Cu/Ca00/00/00/00/00/020.0172/0.01980.0661/0.07670.4191/0.51410.0144/0.016710.6421/11.238340.0367/0.04320.1462/0.17630.7820/0.72450.0318/0.03848.9745/6.894160.0671/0.07140.2967/0.32620.5206/0.55830.0646/