英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

两个四气门内燃机结构的三维流动实验分析

Daniel-Christian Karhoff, Isabella Buuml;cker , Jan Dannemann , Michael Klaas and Wolfgang Schrouml;der

摘要

活塞发动机气缸内流场的发展对燃料-空气的混合有着明显的影响，对燃烧过程也有很大的影响。特别是，在进气和压缩冲程期间该进化流动结构具有重大意义，并在恒定的流量参数，进气口的几何形状影响这些结构。为了显示这种影响, 在本研究中两个发动机不同进气道的流场测量几何图形使用粒子图像测速技术显现的。数据被有关的主要流动现象的时间和空间开发和湍流动能相比较。这项研究的重点是两个滚筒式旋涡的不同的影响是由于在流动结构的不同进气口的几何形状形成机理。发动机A是一种光学研究发动机高转筒式比率在量身定做燃料的燃烧过程中燃烧的稳定性进行了优化。发动机B是高填充优化的一缸摩托车发动机。对两个发动机，流程中的一组八个垂直测量平面和在使用2D/ 2C PIV13曲柄角的影响。感兴趣的主要区域是在燃烧室的火花塞和注射喷嘴下方的中心。在平面内的速度分量由PIV测量用于可视化的主要旋涡结构，即环涡在两个进水阀和主滚筒在对称平面之间的进出口阀门，揭示了典型的自旋朝压缩行程终了的时候。平均湍流动能的时间发展，计算为曲轴转角从80°到上止点之后300°。结果表明，几乎在压缩冲程期间，高湍流动能耗散增加,进气冲程曲柄角度保持在一个稳定的水平。基于整体和平面平均湍流动能的时间分析表明，在进气和压缩过程中非常保守的滚筒式涡流占发动机的流动结构的主导地位。在发动机B中的滚筒式涡流的影响显著较小。涡度的时空分析表明,发动机A在进气冲程的涡度有比较小的衰减，这很可能是由进气口输送旋转流场结构进入燃烧室造成的，从而均衡增长的负面影响。在燃烧室中产生的发动机B的涡度，由于后者的影响显着减少。

引言

在一个活塞发动机气缸进气和压缩阶段小型和大型流动结构的演变显著影响空气-燃料的混合，所以燃烧过程^[1,2]由于湍流结构与火焰的相互作用，并影响火焰区，传播速度和火焰稳定性。但是不稳定性可能会导致局部火焰熄灭。在一般情况下，在燃烧过程中的高湍流强度的目的是为了提高燃烧速度^[2]。因此，关于它们的高效燃烧过程的适宜的燃料的表征，不仅需要的燃料的化学和燃烧特性的知识，而且还需要流场的详细知识和空气-燃料混合物的点火之前的流体机械性能。此外，现代发动机设计需要燃料，废气再循环和新鲜空气的分层，因为分层对自燃的空间位置有相当的影响力。这些位置的预测是必要的，通过分析计算流体动力学的燃烧，因此，这将导致一个详细的了解新的发动机策略的产生^[3]。要查找可能的自燃点，一个三维的调查是必要的。

在内燃机的气缸内的流速测量采用全息粒子图像测速技术（PIV）已由Konrath等人进行^[4]。在以1500rpm的发动机转速三轴测量平面中获得的结果表明，该测量技术的空间分辨率高,足以解决小型和大型流动结构。时态分析是不可行的，由于非常耗时的后处理所固有的测量技术。史丹斯菲尔德等人^[5]测定解决几个发动机速度在通过2D/ 2C PIV的内燃机的对称平面平均流量的曲柄角。他们计算出描述围绕特定轴在燃烧室中的角动量翻转比率和发现的基本流动结构在2000和3500转之间的显著变化。流动结构和扭矩和功率输出以及一个发动机的燃料消耗率之间的关系是由Huang等人所述^[6]。利用PIV，他们测量了流场的对称平面、光学引擎由外部电机驱动的两个入口端口配置的一个平行偏移平面。此外，相同的发动机的几何形状被用于一个发射发动机来衡量性能数据。比较表明椭圆入口端口相比圆形之一产生更高翻转比率和湍流强度。流场结构的差异导致了一个更高的功率输出和一个更低的燃料消耗。结果证明了流动状态，即涡流和与混合过程，和燃烧效率的密切关系。

丹纳曼等^[7]通过2C/ 2D PIV在一气缸摩托车发动机上测量几个轴向平面的速度场。这台发动机是一个吸气发动机，因此对高填充进行了优化。作者确定了两个主导环涡流在进水阀以及其他大涡结构在80°曲柄角（CA）上死点后。在更高的角度（160°和240°上止点后），20毫米的测量平面之间的横向距离不足以确定空间相干结构。

这项研究的目的是用不同的进气口的几何形状的两个四阀活塞式发动机的气缸内的流场比较一组八个垂直测量平面和使用2D /2C粒子图像测速的13曲柄角。该研究集中于滚筒式涡流的两种不同的形成机理的影响，由于在流结构进气口的几何形状的不同。发动机A是一个光学研究发动机，有一个入口端口，产生高的燃烧过程中的燃烧稳定性燃料^[14]。发动机B是与高填充优化的进气口的单气缸发动机的摩托车。分析集中于进气和压缩冲程期间对流动的进气口几何形状的产生的影响。平均速度矢量场，并已用于通过整体平均每个测试情况下获得的湍流动能的分布，测得的空间分辨率可重构三维流动结构，并计算在测量平面中的湍流动能的时间发展。结果进行了讨论，并与由丹纳曼等人^[7]发现的结果相比较。在下面的章节中，得出的结论是限制对流动结构滚筒式涡流的影响，但由于不同的发动机设计的其他影响不影响流动。

下面的部分给出了两个发动机的实验装置，测量系统，以及所研究的测量参数包括PIV后处理的详细描述。结果包括在对称平面中的流动结构的空间分析，比较的时间发展的湍流动能和涡度，以及在发动机A的进气阶段的三维流动的三维重建的研究结论的总结和展望。

实验装置

光学发动机

发动机A是由FEV发动机技术有限公司制造的单缸四冲程发动机其是由一个30千瓦的电机驱动。该发动机装备有转鼓进气口和用于高翻转比率,在新的燃烧系统（压缩点火）其量身定做的燃料,使其燃烧稳定性最佳化。

图1显示了进气口的几何形状，发动机A有一个明显的“扭曲”-类似的曲率在进气口（红圈），也被称为滚流端口的几何形状。由于已经被进气口的生产厂家进行分析，由该进气结构产生的明显的旋转流动。

进气口

图1.发动机A进气口几何形状

该发动机拥有一个75毫米的孔，一个82.5毫米的行程，和一个364立方厘米的位移。全光纤接入是由石英玻璃缸和石英玻璃活塞顶组合实现。活塞环位于铁衬管段，它在活塞和光学衬里的间隙为0.4毫米，从而足以保证光衬套内活塞自由运动。由此产生的较大的顶面缝隙体积意味着相对较低的有效压缩比7.4。发动机是为1500转的平均发动机转速，而无需燃油喷射和燃烧。发动机配有一个质量平衡系统，满足所有指令的往复运动。此外，连接到曲柄轴上的飞轮限制由于压缩发动机转速的偏差，以1500rpm的发动机为例，其转速为plusmn;10转。每转900个脉冲的输出，并在上止点的附加脉冲的轴编码器是用来测量发动机速度和曲轴角度。由于轴编码器不能区别气体交换上止点和点火上止点，该信号是用凸轮轴传感器结合，以确定后者。

发动机B是一个商用单缸摩托车发动机（铃木DR750）已被修改为光纤接入。它是使用与丹纳曼等人^[7]相同的发动机。此发动机以其光滑，弯曲状的曲率发动机的进气口的几何形状为高填充优化。发动机的进气口几何形状如图2所示。

进气口

图2.发动机B进气口几何形状

发动机B具有一个727立方厘米的位移为基础的84毫米的冲程和105毫米的孔。与发动机A一样，该发动机也通过一个电机（55千瓦）驱动，无点火和燃料操作，发动机的压缩比为9.5。表1总结了两款发动机的几何和运行数据。

表1.两种研究发动机的参数

稳流系数或发动机的平均质量流量系数不能采取不同的轴面只有PIV数据确定。因此，没有定量的措施，可以给出关于流量系数的不同的滚流端口的几何形状的影响的差异。然而，adomeit等人^[15]比较不同进气道设计，导致流量系数为0.03-0.11的滚筒端口和0.15的填充端口。

粒子图像测速系统

发动机A的PIV测量的实验装置如图3所示，发动机B相应的设置如图4所示，坐标系显示轴的方向。注意，坐标系的原点实际上位于气缸底部的两个发动机的中心。发动机A的测量PIV系统由脉冲Nd：YAG激光测量的PIV系统“Solo 200xt”的新浪潮，PCO sensicam双快门PIV相机和尼康镜头的焦距为105毫米，最小光圈1.8。最大激光能量为每脉冲200毫焦耳和所述的最大频率为15赫兹。相机传感器以2Hz的帧速率，分辨率为1280times;1024像素。该光片由三个透镜系统生成，并覆盖完整的气缸行程。它具有大约的最小厚度， 大约0.7mm的视野和厚度中心，1mm在顶部和底部。要执行的PIV测量，流程接种与示踪粒子时。这些颗粒被提供在一个附加的储集层通过进气口连接到气缸。平均直径为0.5微米的DEHS（二 - 乙基己基-Sebacat）被用作示踪粒子。已用于发动机B的PIV实验实验装备类似于发动机A的，除了那一个聚光灯为600Nd的事实：YAG激光器每个脉冲400毫焦耳的最大激光能量已经用于代光片的。

光片

细长的开槽活塞

镜子

相机

出口阀

进气阀

玻璃内胆

图3.发动机A的气缸内流动的PIV测量实验装置

相机

活塞

有机玻璃缸

螺纹杆

光片

进气阀

出口阀

图4.发动机B的气缸内流动的PIV测量实验装置

发动机A的石英玻璃筒反射被广泛地插入穿过活塞的光片，而不是通过筒插入从侧的光片和发动机B一样。这种设置降低了测量体积的直径减小到59毫米代替75毫米，这是由联管螺母保持在活塞的顶部的玻璃活塞引起完整孔。然而，路斯等人^[8]提出，视场（FOV）的字段应该被限制于中心86毫米孔径气缸66毫米至最小化在检测粒子位移的不确定性。这些实验表明，精度误差范围在3.5和5%之间的本地平均速度。因为FOV到孔比大约是当前的设置，并与由罗伊斯等人^[8]进行的实验相同，由于气缸曲率的不确定性在当前设置中被最小化。

表2总结了两个发动机的PIV设置装备。

表2. PIV设置参数和设备

由于气缸内流动的三维特性，一些测量平面可能有强大的平面速度分量。为了最大限度的减少错误，激光脉冲间隔，和两个双重图像之间的时间，被设定为一个时间

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[152089]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word