大缸徑內(nèi)燃機氣道的穩(wěn)流實驗方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大缸徑內(nèi)燃機氣道的穩(wěn)流實驗方法，具體為：將欲設(shè)計的大缸徑內(nèi)燃機氣道結(jié)構(gòu)尺寸等比例縮??；原始氣道芯盒與縮小后氣道芯盒的尺寸比例小于4:1，縮小后的氣道芯盒所對應(yīng)的缸徑大于50mm；氣道實驗過程中根據(jù)氣門升程與氣門座圈內(nèi)徑的比值，流體雷諾數(shù)為60000～90000。對縮小比例后的氣道芯盒進行實驗，可以采用渦流動量計進行測試，以便獲取更高的測試精度。本發(fā)明將大缸徑內(nèi)燃機氣道結(jié)構(gòu)尺寸等比例縮小，通過對縮小尺寸的氣道芯盒開展穩(wěn)流實驗，進而間接預(yù)測原始氣道的穩(wěn)流實驗結(jié)果，該測試方法不僅測試精度高，且能大幅度縮小氣道開發(fā)周期及成本。
【專利說明】
大缸徑內(nèi)燃機氣道的穩(wěn)流實驗方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于內(nèi)燃機部件性能測試技術(shù)，主要涉及一種對內(nèi)燃機氣道流動性能進行 測試的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣缸直徑較大的內(nèi)燃機具有功率大、能耗低等優(yōu)點，該類發(fā)動機主要被應(yīng)用于發(fā) 電機組、重型機械以及船舶動力。進氣道作為內(nèi)燃機的"咽喉"，氣道形狀參數(shù)顯著影響著缸 內(nèi)氣體的流動和燃燒狀況，從而在很大程度上影響著內(nèi)燃機的動力性、經(jīng)濟性和排放特性， 因此進氣道技術(shù)參數(shù)一直是內(nèi)燃機設(shè)計的重點之一。然而在氣道研發(fā)過程中，必須進行穩(wěn) 態(tài)流動實驗，以便對設(shè)計結(jié)果進行實驗驗證。進行普通缸徑進氣道實驗時可利用標準芯盒， 但由于大缸徑內(nèi)燃機體積較大，需要制作專用于穩(wěn)流實驗的氣道芯盒。這樣制造非標準芯 盒所需的周期往往較長且成本較高，由此也增加了氣道研發(fā)費用和開發(fā)周期。本發(fā)明提出 了一種新的氣道穩(wěn)流實驗方法，不僅測試精度高，且能大幅度縮小氣道開發(fā)周期及成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是，提供一種氣道穩(wěn)流實驗方法，用于大缸徑內(nèi)燃機氣道性能的測 試，可以大幅度的縮短氣道的開發(fā)周期和成本。
[0004] 大缸徑內(nèi)燃機氣道的穩(wěn)流實驗方法，具體為：
[0005] (1)將欲設(shè)計的大缸徑內(nèi)燃機氣道結(jié)構(gòu)尺寸等比例縮??；
[0006] (2)原始氣道芯盒與縮小后氣道芯盒的尺寸比例小于4:1，縮小后的氣道芯盒所對 應(yīng)的缸徑應(yīng)大于50mm;
[0007] (3)氣道實驗過程中，氣門升程與氣門座圈內(nèi)徑比值為0.1時，流體的雷諾數(shù)Re大 于60000，在氣門升程與氣門座圈內(nèi)徑比值為0.25時，Re數(shù)大于90000。
[0008] 氣道穩(wěn)態(tài)流動實驗的原理是在缸蓋氣道或氣道芯盒上下游形成一定的氣道壓差， 通過測量氣門升程、氣道壓差、動量計扭矩(或葉片轉(zhuǎn)速）、流量、大氣壓力、溫度和濕度等參 數(shù)，獲得進氣量以及氣流運動強度等測試結(jié)果，通過計算獲取流量系數(shù)以及渦流強度等評 價參數(shù)。
[0009] 進行渦流強度測量通常有兩種方法，一是采用葉片風(fēng)速儀測量氣流的旋轉(zhuǎn)速度； 二是采用渦流動量計測量氣流旋轉(zhuǎn)的角動量流率。前者由于其摩擦阻力較大對微弱氣流反 映不靈敏，而且當氣流的旋轉(zhuǎn)速度較高時，缸內(nèi)流場會強制形成一個剛體渦，導(dǎo)致缸內(nèi)流場 失真。采用渦流動量計由于結(jié)構(gòu)限制僅能應(yīng)用于缸徑小于200_的內(nèi)燃機，所以大缸徑內(nèi)燃 機的實驗只能采用葉片風(fēng)速儀測試，但是實驗精度相對較差。本發(fā)明所提出的氣道穩(wěn)流實 驗方法，對氣道芯盒的尺寸進行縮小，那么氣道芯盒所對應(yīng)的缸徑就可以減小至200mm以 下，就樣可以采用渦流動量計進行測試，間接得到原始氣道的穩(wěn)流實驗結(jié)果。
[0010] 此外，在進行穩(wěn)流試驗時，由于大缸徑內(nèi)燃機氣道缸徑較大，為了使試驗過程中缸 內(nèi)達到充分發(fā)展的湍流狀態(tài)，對風(fēng)機的進氣量要求很高。以缸徑250mm內(nèi)燃機氣道為例，為 了滿足測試要求，風(fēng)機的吸氣能力必須大于200L/s。若將氣道芯盒等比例縮小為1/4,則風(fēng) 機的吸氣能力只需大于50L/s即可滿足試驗要求。
[0011] 本發(fā)明的特點以及產(chǎn)生的有益效果是，與傳統(tǒng)的穩(wěn)流試驗方法相比，氣道芯盒縮 小后由于芯盒質(zhì)量的減小，實驗過程更加便利，對試驗裝置尤其是風(fēng)機的要求也大幅度降 低，加工氣道芯盒的成本和周期可節(jié)省80%以上，此外，采用縮小芯盒進行穩(wěn)流試驗?zāi)軌蚴?用渦流動量計進行試驗，測試精度更高。
【具體實施方式】
[0012] 以下通過實施例對本發(fā)明的方法過程做進一步的說明。大缸徑內(nèi)燃機氣道的穩(wěn)流 實驗方法為：
[0013] (1)將欲設(shè)計的大缸徑內(nèi)燃機氣道結(jié)構(gòu)尺寸等比例縮?。?br>[0014] (2)原始氣道芯盒與縮小后氣道芯盒的尺寸比例小于4:1，縮小后的氣道芯盒所對 應(yīng)的缸徑應(yīng)大于50mm;
[0015] ⑶氣道實驗過程中，氣門升程與氣門座圈內(nèi)徑比值為〇.1時，流體的雷諾數(shù)Re大 于60000，在氣門升程與氣門座圈內(nèi)徑比值為0.25時，Re數(shù)大于90000。
[0016] 對縮小比例后的氣道芯盒進行實驗，采用渦流動量計進行測試，可以獲取更高的 測試精度。
[0017]在進行原始尺寸氣道芯盒與縮小尺寸氣道芯盒對比試驗時，兩者雷諾數(shù)不必保持 一致，只需滿足氣門升程與氣門座圈內(nèi)徑比值與雷諾數(shù)的關(guān)系即可。對于氣道芯盒來說，縮 小后氣道芯盒對應(yīng)的缸徑有一定的要求。若縮小比例過大，一方面加工精度難以保證，另一 方面流動邊界層厚度與縮小比例存在著非線性變化關(guān)系。而當縮小比例太大時，流動邊界 層相對厚度將會增加，加劇了流場中的粘性損失和摩擦損失，導(dǎo)致縮小模型氣道芯盒測試 結(jié)果不具有代表意義。
[0018]在實驗過程中設(shè)置氣道壓差時，必須保證缸內(nèi)氣流達到充分發(fā)展的湍流狀態(tài)，通 常用Re數(shù)進行判斷缸內(nèi)是否達到充分發(fā)展湍流。
[0020] 式中，y為空氣的動力粘度，p為空氣密度，Cf為流量系數(shù)，Vo為速度頭，D為氣門座圈 內(nèi)徑。
[0021] 等比例縮小氣道芯盒的缸徑小于200mm，所以就可采用渦流動量計進行測量，獲取 更加可靠的渦流比測試結(jié)果。
[0022] 以某缸徑270mm柴油機氣道為例，分別加工了原始氣道芯盒(缸徑270mm)和按比例 3:1縮小了氣道芯盒，（缸徑90mm)，由于缸徑小于200mm，故可以采用禍流動量計進行測量。 與此同時模擬缸套、氣門、氣門升程以及氣門座圈也應(yīng)按相同比例縮小。具體情況如表1所 不。
[0023] 表1原始氣道芯盒與等比例縮小芯盒相關(guān)參數(shù)

[0025]由于原始氣道芯盒無法采用渦流動量計進行測量，所以首先采用葉片風(fēng)速儀分別 對原始尺寸芯盒和縮小尺寸芯盒展開穩(wěn)態(tài)流動實驗以進行對比。
[0026]原始氣道芯盒在不同氣門升程下的壓差設(shè)置為2000pa，等比例縮小的氣道芯盒壓 差設(shè)置為4000pa，實驗結(jié)果如表2所示。
[0027] 雖然兩者Re數(shù)不同，但是從表中可以發(fā)現(xiàn)兩者在不同氣門升程下的流量系數(shù)偏差 小于4%，渦流強度的偏差小于0.05,因此兩者的實驗結(jié)果是一致的。說明通過對縮小尺寸 的氣道芯盒開展穩(wěn)流實驗，可以間接預(yù)測原始氣道的穩(wěn)流實驗結(jié)果。
[0028] 表2原始氣道芯盒與等比例縮小芯盒穩(wěn)流實驗結(jié)果
[0030]實驗結(jié)果顯示，在測試過程中只需缸內(nèi)流場滿足充分發(fā)展的湍流狀態(tài)，兩者采用 葉片風(fēng)速儀的測試結(jié)果基本是一致的。所以對縮小氣道芯盒氣道進行穩(wěn)流試驗時，可直接 采用渦流動量計進行測試，進而獲取更高的測試精度。
【主權(quán)項】
1. 大缸徑內(nèi)燃機氣道的穩(wěn)流實驗方法，其特征在于所述的實驗方法為： (1) 將欲設(shè)計的大缸徑內(nèi)燃機氣道結(jié)構(gòu)尺寸等比例縮?。? (2) 原始氣道芯盒與縮小后氣道芯盒的尺寸比例小于4:1，縮小后的氣道芯盒所對應(yīng)的 缸徑大于50mm; (3) 在實驗過程中，氣門升程與氣門座圈內(nèi)徑比值為0.1時，流體的雷諾數(shù)Re大于 60000，在氣門升程與氣門座圈內(nèi)徑比值為0.25時，Re數(shù)大于90000。2. 按照權(quán)利要求1所述的大缸徑內(nèi)燃機氣道的穩(wěn)流實驗方法，其特征在于:對縮小比例 后的氣道芯盒進行實驗，采用渦流動量計進行測試。
【文檔編號】G01M9/00GK105910829SQ201610237771
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】魯?shù)? 王天友
【申請人】天津大學(xué)