系列柴油机扫气过程的计算与试验分析

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1、第? ?卷 ?!年第#期内燃机工程% ( . ?/0 :% (2:&32(4&+)6%74?&% 7 %2 .),&)%?概述大量 的科研与生产 实践表明,.? /0系 列二冲程柴 油 机 的回流 扫气 系统 对该 机 的性 能有 重第?作者钱承炬大连理工大学内姗机研究所大连市邮码? ?0#收软盘稿日期? ? ? 一0#一#0内燃机工程第? ?卷第#期大影 响。为了进一步提 高该 机 的性 能指标和可靠性,需 对 扫气系统进 行优 化。国内外 许多研究表明,多维数值模拟可预测气缸内流动 的特性。但对于二 冲程 发动 机,存在确 定气口速度 边界的困难。作 者结合多缸 机扫 排气 压力 波的测试

2、处 理初 边值条件,并采用分 块结 构化网格对 气缸内扫 气过程 进行多维数值模拟。结果 表明,此方 法有助于优化 气口设计,有利于在把握扫气过程宏观 规律性的同时,了解 整个 过程的发 展细节。#扫排气压 力波和气缸内低压 的测试与 分析作 者对!.? /01一8 # 0?00 0&)一和:.? 01一? 0 0?0 0 0&)一两 种 机型分别 在标 定工 况和低 速低 负 荷工 况下的扫 排气压 力波及 气缸 内低 压进 行了测试。两种 机型的气缸套气口设计几何 相似,发 火顺序均 为?一!一#一一一/一一。!. ?/01一8柴 油 机的给气比为?,排气 定时为士? ? ?“18,扫气

3、定 时为士?#+18!.? 01一2柴油机的给气比为?,排气定 时为士? ?001 8,扫 气定 时为士?# 8。扫 排气 压 力 波用=0 型电阻应 变式 压力传感 器测量,气 缸 内低 压用自制的削 波 阀和低压 传感 器测量。各信号 用国产:1一? 光线示波器和 ?一型动态应变仪记录。同时还用型管压差计测 量了扫 排气静压。测 量均对第一 缸进行,气缸 内低压测 点布 置在气缸 盖上,扫气压 力测点布 置在扫气 腔内,排气压力测 点布置在排气支管处。以往 的测试 表 明,测点布置 在机体不同位 置 对扫 排气压力 波形 影 响不大。但削波阀冷却不 良或其内部空 腔容积 过大都会使实测低压

4、膨 胀 线滞 后,转速越高,滞后 越甚,以至波形失 真,数据离 散性 较大。因此 本文 中未 给 出低 压波 曲线。实测 的扫排 气压 力波 如图?所示。由试验可得下述结论? 两种删航耀赫椰。但.? 一内? , 月!、 ,工 、斑占#,%、&,甘声 声()份 明,%。%)% 公芝,久机型 比+ , %机型较早 开始强制 扫气 阶段。.由于发动 机设计为四缸共用一根 排 气支管,在 这四缸 间发 生较 强 的排 气 干扰。对第一缸而言,最为不利 的干 扰 脉冲波 由第二 缸 排气 产 生,此 时正值强 制 扫 气,干扰 波 增 加了扫气阻力。另一方面,两 排气支 管 间的干扰很小,说明排气 总

5、管设计是合理 的,有效地 隔 断了压力波的传播 与 反射。“丫一%)%&/ 0 %淤价叹1入、& .,图实测的2+ ,!3一4柴油机标定工况扫排气压力 波扫气压力&一排气压力5 .先 期排 气即64之前.时面值太小,致 使此 阶段气 缸 内压力下降缓慢,标 定工 况下扫 气口开 启后废气大量 倒灌。根 据所 测低压 波做定性分析,强制扫气 过 程在上止点 后 7%834一6 ,834才发生。 7.由于废气倒灌,标定 工况下扫气 腔 内也 有较大压 力波动,其强脉 冲个数和相位均对 应于排 气脉冲。对第一缸而 言,第二缸 的废 气倒 灌与 排气干扰共 同作用,使扫气腔 内脉 冲峰值最高,脉冲形

6、状也 最丰 满。在低 速低负荷下,气 缸 内压力 较低,因而不存在 废气 倒灌,扫气 压力波 曲线 非常平 坦,而排气干扰依然存 在。综 上所述,为 了改善扫气过程,应从两方面考虑9一是消除排气干扰,二是抑制废气倒灌。?!年月钱承炬等.?/系 列 柴 油机扫气过程的计算与试验分析前者可用两 缸共 一根 排气 支管的设计 方 案解决,后者涉及到气口设计的许多细节问题,应对气缸内流场进 行详细分 析。扫气流场的数 值摸拟与 分析关于数值模拟方 法详 见文 献?,#。由于对 称性,取 气缸套 的一半,采用分块 结构 化方法形成气 缸套一气口整体网格。实际扫气口为 圆孔,计算 中用阶梯形 逼近 圆柱面

7、。作 者首 先在相同的网格剖分和相同 的初边值条件下模拟了上述 两 种机型的扫气过 程。结果 表 明其流场基 本相似,这 是气缸套设计成 几何相似的结 果。因此,本 文仅 叙述!. ?/ 01一8机型扫 气过 程的特征,其结 论 同样 适 用于!. ?01一?机型。?气缸 内速 度场计算表明,不管 气口的设 计细节如 何变 化,气 缸 内速度 场都具有一些 共 同特征。气缸 内速度场可分为排 气口上缘以下的近气口区域和排气口上缘以上 的主流区域。自由排气 阶段 的气 缸 内速度 场如图 # (所示。在排 气口附近 速度 很大,但马赫数仍小于?。扫气口开 启后 废气 倒灌的速度仍较大,见 图。夕

8、子一护产“子子一碑,碑,一工,、龟、,、飞,、4 ,、 、护户、 、工、,龟、,、,、 、,、 ,色、 、 、产、 、,、 户、,、 、, 产、, ,、,口沪夕,、沪, , 2,、,、,、,、,图#自由排气阶段的气缸内速度场( 气缸对称面速度场 近气口区横剖面速度 场扫气 阶段气 缸 内主流区的速 度分 布形式如 图、。在整 个 扫气过 程 中,只要扫 气压差足够大,气缸 内就不存在扫气流 绝对 扫不到 的死 角。从 这个角度 看,扫气 组织是 完善的。主流区存在纵向旋流 见 图 和 涡 流 见 图。其形 状和位 置 随活 塞运动而变化。横剖面内可能出现两个反向旋转的涡 流,可加强新气与废气

9、的混合,增 大扫 气阻力。扫气阶段气缸内近气口区的速度场比较复杂,其中最为显 著 的特征 是 自始至终存在 强烈的短路气 流。这正 是这 种机型排温 非常低 # !0 +1的原因。尽 管这使活塞 得到 较好的冷却,但消耗了大量 的机械功。过后排气阶段仍然存在很强的纵向旋流。过后排气速度很小。计算表明,纵向旋流在排气内燃机工程第?卷第#期、“、龟、 ?产户、? ? ? 一、口一、侣 呜、气、 、 、月、 、户嘴盆, 闷亡 阅 口自、? 丫,、2、户 、户 、 、舀、 凡、飞、丫、户、沪几 、 、 且 协亏图扫气阶段气缸内速度场( 气缸对称面 过扫排气口的纵剖面图扫气 阶段气缸内横剖面的速度场(近

10、气口区 主 流区口关闭后一直保留至上止点。#气缸 内压 力与组 分浓度 分布扫气 阶段 在 近气口区与主 流区之间始终保持着一个高压区,扫气刚开始 时,高压区前锋 向气 缸套上方扩展,待扫 气口全 开后,高压区向排气口一边 扩 展,见 图/。由 此造成短路气流 过强,同时 也阻碍 废气排出。组 分浓度分布如图。在 扫气刚开始时,新气与废气 之 间分界 明显,如 图 ( 所示。随后由? !年月钱承炬等.?/系 列柴油机扫气过程的计算与试验分析于滚流和 涡流形成,混合加强,分 界逐 渐 消失,见 图 。这 表 明扫 气开始时,新 气 如 同 气垫 一般 将 废 气 推出气缸,这是 扫气 效 果 最

11、好的 时期,加强或 尽早开始 这 段 时期都 将有利 于提 高扫 气效 率。气口布 置对 流场 的影 响计算表 明,排 气口间隔附近易于产生旋涡,并 且 气流流出时 在排气口内产 生 明显的收缩,使实际流通 截面减小,这 是先期 排 气时面值小 的主要 原因之一。扫气口间 隔不 能过 薄,否则 各 扫气口之 间将产生严重 干扰,使进气 速 度 出现很 大波 动,影 响进 气量。当流 通截面 相同 时,圆形 截面扫 气口比矩 形截面扫 气口宽,易于出现干扰。从 扫气 过程的发 展来看,短路气 流 强弱 与 排气口对面的一对 扫气口的设计细节 有关。增大其仰 角将 有利于抑止短路气流。岁_2 火瑰

12、 、谧。巨福 艳黝犯图/? ! /18气缸纵剖面的压力等值线?、0?#?绒 纷岸廊图扫气阶段气缸内新气分布(?/ /+18新气 质量分数分布? ! /18新气 质量分数分布边界压 力的影响作者用 图所示两种 压力 边界 条件 分别计算了相 同气口形状的扫 气过 程。结果 表明 扫气效率对 扫排气 压差 变化 十分敏感,因为 压差决 定了进气 量。因此,若不计 废 气倒灌,模拟多缸机压力边界 反而导致 较高的扫气 效率。扫气压力的 较大波动会 引起 进气速度的较大波动,导致 图所示的流场,因而增大了阻力。如果扫排 气压 差过低,将会使纵 向旋流 断裂,见 图 ,结果会降低 扫气效率。实际上在给定

13、 运行 工况 下,扫 气泵 的给 气比变 化不 太大,因而扫排气 压力波动的影响是复杂 的,其作用不容 忽视。内嫩机工程第 ? ?卷第#期结论0? 2 试验 与计算都表 明,为了进一步 改 善.?/ 0系列柴油机的扫气 过 程,首 先应解 决 先期排 气 时面值过 小 的 问题,以便 最 大 限度地 减小扫 气腔 中废 气倒 灌的不利 影 响。为 此需优 化排气口的设计。# 多缸 机实际运 转工 况下 的扫排 气压 力波动 对 扫气 过程 有 显 著影响,并 且 这种 影 响与负 荷、给气比等因素相交织。采用 两缸 共一根排气 支 管的设计方案 有利于消 除排气干扰。流 场 的数值分析 表 明

14、,减 少排 气口个数,减小 扫 气口宽 度 并 采 用接近矩 形的截面,以及 增 大 排 气口对面扫气口的 仰 角等措 施 均会有 利于降低扫气过 程 阻力、减少扫气的短路损失。检索号+7+ 0?# /0? 0?0 ?5芝二气0。?0 ?00 ?00?/0#/00 0甲, 18图数值模拟用的压力边界条件参考文献模拟多缸机户、一边界压 力 一模拟单缸机2钱承炬等二冲程内招机扫气流场的数值模拟大连理工大学学报,? ? /#陈石内姗机缸内过程的一种多维数学模型大连理工大学学报,? 2上海液化石油气汽车进入加速扩容期液化石油气汽车简称 =汽车,是以液化石 油气代替汽 油作为燃料的“绿色车”。上海 自? ?#年首批引进/辆日本产 =轿车至今,液化石油气汽车逐步进人了人们的生活。目前已有# 辆经过改装的 =双燃料出租车行驶在申城的大街小巷,到?!年底这 一数字将会达到#0 00辆。今年,上海=汽车进人加速 扩容期,关于推进=汽车发展 的实施 方案 已经形成并得到市府的批准,为上 海 近期 =汽车发展指 出了具体目标。按实施方案,上 海 =汽车的推进工作包括四个方面一是车辆改装工作。即 增加一套=燃料供给系统,使车辆变成双燃料系统。目前以意大利朗弟公司、意大利6公司、日本 明治产业株式会社及广东南海澳华公司 的=汽车装置为样本,由上海九环液化气公司负责改装选型工作。首批改装的