汽车进气道（精选9篇）
汽车进气道 篇1
1 前言
随着社会的高速发展和人民生活水平的提高, 汽车在中国已经逐步摆脱“奢侈品”的地位而进入寻常百姓家, 成为人们生活、休闲、工作和旅游活动中不可缺少的工具。得益于国家优惠政策的激励和中国社会的强大购买力, 中国在2011年汽车销量达到1850.51万辆之巨, 继续稳居世界第一大汽车市场的地位。巨额的汽车保有量和井喷式的增长, 让汽车企业受到巨大的鼓动。为迎合汽车市场的高速发展和汽车用户各色各样的用车需求, 汽车市场新车型层出不穷, 令人应接不暇。同时, 汽车企业在全力开发新车型的同时, 必须要有高度的责任感和危机感, 在飞速发展过程中要有危机意识, 井喷式发展过后必然面临汽车市场的理性回归, 其后竞争压力将剧增, 因而需要提前苦练内功, 夯实基础, 提升企业的核心技术实力, 开发出令用户满意的品质可靠车型, 才能在日益激烈的竞争市场站稳脚跟。
随着用户对汽车的要求越来越高, 汽车的动力性、燃油经济性及NVH性能成为用户选车时的重要考核因素。而汽车的这些性能与发动机及动力总成附件等零部件密切相关。进气系统作为动力总成附件的主要组成之一, 其性能是影响发动机及整车性能的重要因素。因而, 探讨汽车进气系统的设计开发及其基本技术参数的设定、相关元器件的选择与设计, 有利于开发出品质可靠、性能卓越的进气系统, 这对发动机及整车都具有重要的意义。
2 汽车进气系统简介
发动机是汽车的心脏, 而进气系统是汽车发动机的“门户”, 因而进气系统是整车开发过程中极其需要重视的子系统。研究其开发过程, 探讨其设计要求, 有助于提高其设计水平, 以满足发动机及整车对进气系统的性能要求。
进气系统主要功能是过滤进入发动机的空气, 避免粉尘进入发动机缸体而导致发动机异常受损。根据滤材的不同, 空气滤清器过滤效率可达到≥96%~99.5%, 可以给发动机提供足够的清洁空气以满足发动机对进气量的要求。发动机进气流量较大 (一般小排量发动机额定流量能达到200~300Kg/h) , 导致进气阻力及进气噪声增高, 从而对发动机及整车产生较大的影响。进气系统的主要性能要求为:
(1) 滤清性能:优化滤清性能对发动机寿命有积极的意义;
(2) 噪声性能:进气噪声对整车噪声及NVH性能均有较大的贡献;
(3) 进气阻力:合理的进气阻力可以避免对发动机功率造成不利影响。
下文针对以上性能要求, 探讨进气系统 (空气过滤系统) 的一些基本元件及参数对其性能的影响。
3 进气系统的滤清性能
进气系统的滤清性能影响到进入发动机内部的空气的洁净程度, 对发动机寿命有很大的影响。进气系统过滤性能要求有容尘能力及滤清效率, 进气系统的结构及管路走向等均会影响到进气气流流向, 而流体分布又将影响到进气系统的滤清性能, 前期CAE仿真分析有助于分析进气系统的滤清性能。
图1显示的是某进气系统内插管元件。该进气系统初始设计方案不带导流管, 其CFD分析结果如图2所示。由于进气管上表面与滤芯下表面几乎在同一平面, 进气气流直接冲向滤芯底部, 导致滤芯下表面流速不均匀, 最高处达到30m/s左右。滤芯空气流速不均匀对滤清效率、滤芯寿命、进气阻力及容尘能力等都有消极的影响, 而添加导流管对进气气流进行引导有利于改善其滤清性能。
4 进气系统的声学性能
进气系统的声学性能是进气系统的重要性能要求。进气系统容积、内部结构及内部元件的应用对其噪声性能影响较大。图3及图4分别显示了进气系统容积及其内插管元件对进气系统声学性能的影响:
由图3可知, 随着进气系统容积的加大, 其噪声曲线显著下降, 加大进气系统容积对其声学性能有积极的意义。
进气系统出气喉管 (图1) 是设置在空气滤清器出口端的内插管, 由于其截面及走向的变化对气流及其流速起一定的引导作用。由图4可知, 设置出气喉管后, 进气口噪声值整体下降明显, 噪声性能得到较大的改善;再增加进气导流管后, 进气口噪声再次降低。进气系统内插管元件的应用对滤清性能及噪声性能产生积极意义, 但同时由于其扼制了气流的流动, 进气阻力必然会增加, 这是在应用内插管优化进气系统噪声时需要特别加以关注的因素。
为了避免内插管的消极影响, 可以使用赫姆霍兹共振腔及1/4波长管针对性地优化噪声。赫姆霍兹共振腔及1/4波长管能削弱噪声峰值, 同时其内部无气流流动从而不对气流产生扼制, 因此不会对进气阻力产生影响。在某进气系统开发过程中, 为了达到削弱进气口噪声峰值的目的, 应用了1/4波长管的消声元件, 其效果如图5所示。1/4波长管的应用有效的削弱了进气口噪声4阶及6阶的噪声峰值, 其消声效果十分显著。
赫姆霍兹共振腔及1/4波长管的应用不会对进气阻力产生太大影响, 实际开发过程中为了达到声学性能优化的目的, 可以针对性地进行选用。
5 进气阻力
进气系统进气阻力对发动机的进气效率具有较大的影响, 其阻力值的大小受其结构、管路布置, 管路形状及管路尺寸等的影响。
图6为某进气系统初始设计方案, 其最终设计方案见图1。对比可知随着进气系统开发过程中测试及验证的深入, 其方案能发生较大的变化。进气系统在进气管形状 (圆形, 方形) , 内部结构 (是否带导流管及文丘里管) , 以及内插管的管径等参数等不同方面都可以有不同的组合方案;不同的进气系统方案, 会导致其进气阻力会有较大的差 (下转第169页) (上接第184页) 异, 表1为该进气系统设计初期针对不同进气管形状及不同的内插管参数所进行的进气阻力测试结果。
由测试结果可知, 内插管元件及其尺寸参数应用不当, 将导致进气阻力的急剧上升。进气系统内部结构复杂, 内部元件多且内部气流走向变化大及变化频繁, 将导致进气阻力值的上升, 但复杂的内部结构对气流的扼制作用对进气系统噪声的降低有益, 因此在进气系统的设计过程中需要在进气阻力与进气噪声中找到平衡点, 平衡满足各项性能指标, 才能满足进气系统各项性能要求。
6 结束语
进气系统是汽车动力附件的关键部件, 是整车NVH的重要零件。进气系统的开发需要满足其功能性的要求, 如滤清性能等;还需要满足其性能要求, 如噪声及振动的要求等。进气系统的开发过程中应用CAE仿真手段进行前期评估, 并结合试验实测的方法, 可对其各项性能指标进行合理的设置;而平衡其各项性能指标, 使其同时满足发动机及整车性能的要求, 具有重要的意义。
摘要：介绍了汽车进气系统的功用及主要性能指标;结合进气系统开发实例探讨了进气系统容积的设定、管路形状及截面积的选择、内插管及谐振管等元件的应用等设计因素对进气系统性能所产生的影响。
关键词：进气系统,噪声,过滤,进气阻力
参考文献
[1]庞剑, 谌刚, 何华.汽车噪声与振动---理论与应用[M].北京:北京理工大学出版社, 2006.
汽车进气道 篇2
关键词：进气歧管；数值模拟；流场特性;压力损失；流量特性
中图分类号：U464.134+4 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2011）05-0032-05
Effect of Parameters of Intake Manifold Structure on Characteristics of
Intake Flow Based on Simulation
NING Jun1，2，DANG Feng-ling2，YANG Na2，LI Li-guang1
（1.The Institute of Automotive Studies，Tongji University，Shanghai 200092，China;
2.Shanghai Fuel Cell Vehicle Powertrain CO.，LTD，Shanghai 201804，China）
Abstract: Based on Fluent software， a three dimensional model of the intake manifold of a certain multi-cylinder gasoline engine were carried out .Through the three dimensional numerical simulation and analysis of the steady flow ， it found out the effect of main parameters of intake manifold structure on the flow field， pressure loss and discharge characteristics.
Key words: intake manifold；numerical simulation; flow field; pressure loss; discharge characteristics
进气系统是发动机的重要组成部分之一，其布置形式和结构参数对发动机的充气效率、进气阻力、进气均匀性、缸内混合气运动和燃烧过程有着重要的影响，进而影响发动机的动力性、经济性和排放特性。
进气系统良好的结构布置形式和结构参数的合理选择有助于充分利用重力自然进气，同时可以使发动机充分利用歧管内气体流动的动力效应，从而提高发动机的充气效率，使发动机在较宽的转速范围内具有良好的性能。
近年来，关于进气歧管对发动机性能影响的试验研究已有不少报道［1-4］，主要研究了各缸的进气不均匀度、质量流量、流量系数等。但关于模拟的研究有限，主要集中在对进气歧管进行优化计算，提供评估进气歧管性能的方法。本文针对某型号汽油机进气歧管的优化设计，采用三维数值模拟计算方法，利用Hypermesh软件和Tgrid软件进行网格划分，利用Fluent软件对多缸发动机进气歧管进行模拟，研究了进气歧管结构改进前后的流场特性、压力损失和流量特性，分析了主要结构参数对进气流动的影响。
1 进气歧管网格划分
研究对象汽油机排量为1.8 L，标定功率和转速为74 kW和5 200 r/min。首先用Hypermesh和Tgrid软件对进气歧管三维模型进行四面体网格的划分，在出口处对网格进行加密，并设置边界条件，入口端的前端面设为质量流量进口边界，各个歧管的出口端面设置为自由流，其他均为壁面边界，结果如图1所示。
图1 进气歧管三维网格效果图与边界定义
表1 进气歧管结构参数变化对比
对表1中的结构参数进行比较可知，进气歧管改进前后结构变化不大，主要是因为受发动机结构限制。各歧管在出口面积不变时，增加了长度；同时稳压腔与歧管过渡面变长，进口长度减小。下面将进一步计算和分析这些结构变化给流动所带来的影响。
2 湍流方程
Fluent常用的湍流模型包括Spalart-Allmaras模型，标准κ~ω、RNG κ~ω和Realizable κ~ω模型，标准和SST κ~ω模型，雷诺兹压力模型，大型艾迪仿真模型等等。本文的模拟计算所选用的是标准κ~ω湍流模型。
在标准κ~ε模型中，κ和ε是两个基本未知量，与之相对应的输运方程为：
（）+（i）=［（＋）］＋
Gk＋Gb--YM＋S（1）
（）+（i）=［（＋）］＋
G1（G＋G3Gb）-C2 +S（2）
式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的项；YM代表可压缩湍流中脉动扩展的贡献，C1ε、C2ε、C3ε是经验常数；σk和σε分别是与湍动能k和耗散率ε对应的湍流Prandtl数；Sk和Sε由用户定义的源项；μt是湍动粘度，可表示成k和ε的函数，即：标准κ~ε模型中的参数见表2。
表2 标准κ~ε模型中的常系数
3 模拟结果及分析
3.1 流场特性模拟
首先，模拟进气歧管齐开时的情况，分析流体内部流动特性。改进前后进气歧管模拟初始参数都选取进口质量流量为0.057 57 kg/s（虚拟转速为3 000转/分），进口表压为0（工作压力为1.013E05Pa），四个歧管均设置为流出自由流；其他设置均与前文所述一致。
图2~图5是在计算边界完全相同的情况下，分别为进气歧管流体压力等值云图和流场迹线图。可以看出，在原进气歧管进气过程中，气流发生的旋转、分离和回流现象明显要大于改进后，特别是压力值较大或较小的地方，如各歧管与稳压腔的过渡口以及歧管曲率半径较大处等都会发生回流或旋转等现象。如图2中，A点处为稳压腔左端，由于进气口位于稳压腔右端，进气气流在A点处明显受到挤压，而形成死区增大压力，增加流体与管壁或流体之间的摩擦，引起流体机械能的损失。在图3中A点处产生了明显的大面积回流。B、C、D、F点都是进歧管的过渡口，B、C、D点的压力由于受到进口流体的冲击造成压力急剧上升。F点位于进口后方受到流速加之歧管曲率半径的变化的影响产生了负压、回流（见流速图）和旋转流，以及E点产生的二次流，都会造成额外的能量损失。气流的旋转在图3中的四歧管中非常明显，延续到歧管出口处，对流动均匀性影响也非常大。
图6和图7是上述计算条件下的流速图，在流场迹线中无法判断的回流现象，可以在流速方向上明显得到。如图6和图7中A点处部分的回流现象在改进后的稳压腔内明显减弱且范围减小；B、C、D、F处的回流也基本消失或改善。从流速矢量图上也可以看出各个歧管内气流的旋转相应减少，这些都有助于减少压力损失。
3.2 单个进气歧管压力损失分析
已知结构上改进后的歧管长度有所增加，为了进一步分析长度所带来的影响，现通过研究内部质点的流迹图，分别在改进前后的进气歧管中取8个质点，然后由后处理工具绘制质点在歧管内的流动情况。工况仍为3 000转/分，只有歧管1（Outlet 1）为气缸充气。方便起见，质点起点为稳压腔与歧管1号过渡截面上一直径上的8个点。质点编号如图8所示。
从图9和图10中可以看出，质点进入歧管后，随着进气歧管长度的增加，压力是先降低再增加的。这是因为边界面的增加而增大了沿程损失，在歧管长度约150~175 mm处，压力达到了最小值。在此之后直至出口处，压力都呈上升趋势，分析认为此处受到进气谐振作用而呈现了波峰趋势，从而提高了出口压力，进而有利于进气。由图9质点号可以看出，4号、5号质点位置为歧管轴线附近，压力变化曲线相对于管壁附近的1号、8号幅度要小，如图中横坐标为25~150 mm处，说明随着管径的增大，其核心部分的流动随曲率半径的变化（见图1）相对较稳定，但是壁面附近的情况相对较差。与图10比较，最大的差异是迹线起始点附近，压力的集中度。在原歧管中由于稳压腔与歧管过渡段几何结构过于急剧，而产生较大的压力梯度，这也是图2和图3中D、F点处产生回流与旋转流的原因。
图11和图12为改进前后进气歧管内质点不同位置的湍动能。在整个歧管中流动的质点，后者的湍动能相对前者大，且沿程变化趋势相对一致。湍动能的增大对提高进气量有帮助。
观察稳压腔与歧管的过渡口与长度约150~175 mm处歧管形状结构对所取质点流动的影响，相对而言，后者的歧管结构较平顺，对流动的影响较小。从过渡口局部湍动能图13和图14可以看出，湍流区域发生了转移，后者更靠近歧管轴线附近，这也解释了为什么后者的流动更为均匀。
利用Fluent软件内质点迹线图来研究歧管长度的影响，虽然质点的轨迹不代表歧管轴线，但是却可以方便有效地做出内部流动评价。
3.3 稳压腔对压力损失的影响
图15和图16为改进前后进气歧管稳压腔局部流速（Y方向流速图），即流速在Y轴向的分量大小。需要说明的是该图为歧管稳压腔在Y向上中间剖面上的流速图，即理想流速应该没有Y轴方向。图中颜色偏红处为Y向速度偏大处，即图2中所示Ａ点处，前面提到该点处的回流较大，原因是稳压腔的结构不合理而在进气的冲压下产生了不必要的能量损失。改进后的稳压腔容积比之前略微减少，但是真正产生影响的应该还是过渡口加长的关系，从两图中可以明显看出这部分的流动要优于改动前，进入歧管的气流更加流畅，所以在流动死区在该截面上也基本消失。
3.4 流量特性分析
分支管出口截面流速不均匀，继续上一节的工况条件并采用三维模型可精确计算各分支管出口质量流量。质量流量按如下公式计算［7］:
Q=AVdA（3）
式中，A表示计算截面；ρ是微元面的流体密度；V是微元面的流体速度。上式在计算截面上离散后得到：
Q=i（Vix Aix+Viy Aiy+Viz Aiz）（4）
式中，i是第i个计算单元的密度，Vix，Viy，Viz是第i个计算单元的中心速度在三个坐标方向的投影，Aix，Aiy，Aiz是第i 个计算单元的面积在三个坐标方向的投影， n 是计算截面上的单元数。按上述方法计算各分支管出口质量流量如表3和表4 所示。同时给出fluent计算出口流量的数值，并进行误差对比。
从表3中可看出， 各分歧管出口流量不均匀，outlet 1出口质量流量最大，outlet 2 出口质量流量最小。这说明多缸发动机各缸进气不均匀。导致各缸进气不均匀的原因主要有两个: （1）各缸沿程流动损失不同。Outlet 1气缸距离进口最近，沿程流动损失小;outlet 3&4最远，沿程流动损失较大。（2）稳压腔容积影响。由于outlet 4开启时受稳压腔左端回流的影响，减少了进气量;（3）流体方向影响。气缸进气时，主流方向与2号歧管方向呈90度，对过渡段流动产生影响，相对于1号靠近进口以及3和4号死区改变主流方向看，只有2号影响较大。
表3中所述问题在表4依旧存在：靠近进气口的outlet 1和2的进气量仍然大于3和4，但是稳压腔问题有所缓和。
各缸进气的不均匀性将直接影响各缸空气与燃油的混合，从而影响燃烧过程的组织，使各缸的燃烧过程产生差异。因此，各缸进气的不均匀性是内燃机工作者所十分关心的课题。本文在进气管各分支管出口流量的数值计算的基础上，研究了各缸进气的不均匀性，为改善发动机各缸进气均匀性，提高发动机工作性能提供了有效手段。
4 结论
（1）针对某型号汽油机进气歧管内的流动进行三维数值分析，为深入了解其几何形状对流动特性的影响和改型设计提供了理论依据。
（2）计算结果表明，过渡口的优化与歧管长度的变化，对改善流动有明显影响。
（3）计算结果表明，改型后各歧管的流量偏差值比改型前普遍变小。
参考文献：
［1］ 罗马吉，陈国华，蒋焱坤，等. 进气管内三维稳态流动特性的数值分析［J］.小型内燃机与摩托车，2001，30（2）:1~4.
［2］ 许元默，等.进气歧管对电喷汽油机充气效率影响的研究［C］.内燃机清洁高效燃烧国际研讨会，2002.08.
［3］ 韩同群，马祥宁. 应用CAD/CFD技术对柴油机进气管进行优化设计［J］.内燃机，2006，2(1):13-16.
［4］ M. Safari and M. Ghamari. Intake Manifold Optimization by Using 3-D CFD Analysis［J］. SAE 2003-32-0073 JSAE 20034373.
［5］ 余国核.进气管道结构对单缸发动机动力性能的影响［J］.中国机械工程，2006，(17):10-14.
［6］ 王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用［M］. 北京：清华大学出版社，2004.
［7］ 韩同群.电喷发动机进气歧管的设计与开发［J］.内燃机工程，2005，26(3):22-26.
［8］黄征宏，邢渊.汽车进气管改型的数值模拟及优化设计［J］.模具技术，2007，(1):1-6.
［9］ Jerry Caskey and Paul Daly. Effects of Rapid Strain Rates in Plastic Intake Manifolds.ISSN 0148-7191. SAE 980729.
浅析汽车可变进气控制技术 篇3
1. 动力阀控制系统
动力阀控制系统的功能是控制发动机进气道空气流通的截面大小, 以适应发动机不同转速和负荷时的进气量需求, 从而改善发动机的动力性。系统的工作原理如下:在低速、小负荷工况下, 进气量较少, 可以通过减小进气通道截面积增加进气流速来增加气缸内的涡流强度, 有利于燃烧热效率的提高, 从而改善发动机的低速性能。在高速、大负荷工况下, 进气量较多, 可以通过增大进气管空气流通截面来减小进气阻力, 增加充气效率, 有利于改善发动机在高速时的性能。进气管截面面积的改变是由动力阀来控制的。ECU控制的动力阀控制系统如图1所示。
动力阀安装在进气管上, 用来控制进气道空气流通截面大小。动力阀的开闭由膜片真空气室控制。真空气室由ECU根据传感器信号控制电磁阀通断来实现。当发动机处于小负荷低转速时, ECU根据信号控制电磁阀断电, 真空气室没有真空度, 动力阀处于关闭状态, 进气通道减小, 增大了进气流惯性, 提高了发动机的充气效率;当发动机处于高速、大负荷工况时, ECU控制真空电磁阀通电, 真空气室中有了真空度, 动力阀开启, 进气通道变大, 提高了充气效率, 改善了发动机的性能。
1-动力阀2-真空罐3-真空电磁阀4-ECU 5-膜片真空气室
1-真空电磁阀2-真空罐3-单向阀4-节气门5-真空驱动器6-进气控制阀7-空气滤清器
2. 谐波进气增压系统
谐波进气增压系统的功能就是根据发动机转速的变化, 改变进气歧管的长度, 改变进气管内压力波的传播距离, 以提高充气效率, 改善发动机性能。谐波进气增压系统工作原理如图2所示。
1-凸轮轴2-正时板3-中间摇臂4-次摇臂5-同步活塞6-正时活塞7-进气门
在进气管中增设了进气控制阀和大容量的进气室, 当发动机转速较低时, 同一气缸的进气门开启和关闭的间隔时间较长, 此时进气控制阀关闭, 使进气管内压力波的传递距离较长, 压力波反射回到进气门附近所需要的时间也较长, 从而使发动机在低速时得到较好的充气效果;当发动机转速较高时, 同一气缸的进气门开启和关闭的间隔时间较短, 此时进气控制阀开启, 由于大容量进气室的影响, 使进气管内压力波传递距离缩短, 压力波反射回到进气门附近所需要的时间也较短, 从而使发动机在高速时得到较好的充气效果。
3. 可变配气相位控制系统
可变配气相位控制系统是通过改变配气相位和气门升程来提高充气效率, 改善发动机性能。有多种控制方式可以实现对配气相位和气门升程的可变控制, 其中最常用的有液压控制方式、电子控制与电机执行方式及凸轮轴的轴向移动控制方式。
1.液压控制方式
液压控制系统主要由凸轮机构、主次气门、摇臂总成和电磁阀等结构组成, 如图3所示。凸轮机构中有3个凸轮, 它们的线性不同, 升程也不同。位于中间的凸轮速度最高, 称为中间凸轮, 它的升程最大。另2个凸轮是低速凸轮, 其中凸轮较高的一个称为主凸轮, 较低的一个称为次凸轮, 次凸轮的升程最小。中间凸轮的形状适应发动机高速时双进气门工作时的配气相位的要求。和3个凸轮相对应的摇臂分别称为中间摇臂、主摇臂和次摇臂。所需的2个气门分别安装在主、次摇臂上, 分别叫做主气门和次气门。中间摇臂不和任何气门直接接触。在工作过程中, 通过凸轮的不同升程来改变气门正时和气门升程。
这个机构的运作原理是这样的:发动机低速运转时, 3个摇臂独立运动。这时的两个气门分别由主次摇臂驱动, 主摇臂驱动主气门, 次摇臂驱动次气门。由于主凸轮升程长, 气门开度大, 所以进入气缸的混合气相对较多, 次凸轮升程较小, 气门开度小, 进入气缸的混合气相对较少。中间摇臂虽然受中间凸轮驱动, 但是对气门的动作没有影响。发动机中速运转时, 液压将主次两个摇臂连成一体, 但中间摇臂继续独立运动, 不能控制任何气门。由于主凸轮比次凸轮大, 那么连起来的摇臂实际上是受主凸轮驱动。结果, 两个进气门动作相同, 获得与低速时不同的配气正时和气门升程, 比低速时有更多的进气量。发动机高速运转时, 液压将3个摇臂连在一起, 3个摇臂同时动作。由于中间凸轮行程是最大的, 那么两个进气门都是受中间凸轮控制, 气门的开启时间和气门升程都增加, 改善了发动机高速性能。如图4所示。
2.电子控制与电机执行方式
电子控制与电机执行系统是在凸轮轴和每根摇臂之间设置了一个中间摇臂, 用来将凸轮轴的运动转化在气门摇臂上。中间摇臂上加入了电子控制与电机执行系统。在这个系统中有一个凸轮轴、一个偏心轮、滚轴和顶杆等装置, 由步进电机驱动。ECU通过接收的信号, 控制步进电机, 来改变偏心轮的偏移量。偏心轮偏移量不同会改变中间摇臂接触凸轮轴和气门摇臂的角度, 从而改变气门的升程。气门升程大时, 进气较多, 气门升程小时, 进气较少, 实现可变升程的气门开闭控制过程。结构图和简图如图5所示。
3.凸轮轴的轴向移动控制方式
一般的气门升程技术是通过改变摇臂的作动模式来完成气门的升程可变的, 气门升程可变也可以通过凸轮轴的轴向移动来切换不同升程的凸轮实现。凸轮轴轴向移动控制系统结构图如图6所示。
这套系统主要组成部分就是液压顶针。工作原理如下:当发动机低速运转时, 受液压控制的顶针处于收缩状态, 顶针与凸轮轴之间没有接触, 凸轮轴处于自由状态, 工作凸轮是低速凸轮。该凸轮升程小, 气门开度小, 所以进入气缸的混合气相对较少;当发动机在高速工况下, 液压顶针充油, 顶针向下方延伸, 顶针头卡在凸轮轴上的螺旋槽内。由于顶针是固定在气缸体上的, 因此随着凸轮轴继续旋转, 凸轮轴将会被顶针与螺旋槽共同作用往左推 (图中向左箭头方向) 。工作凸轮切换为高速凸轮, 该凸轮升程较大, 气门开度大, 进入气缸的混合气相对较多。而当顶针缩回去, 凸轮轴又将恢复自由状态, 也就是恢复使用低速凸轮驱动气门。这样就可以通过凸轮升程的改变而改变充气效率。
汽车进气道 篇4
【摘要】气管切开在临床上是抢救和治疗呼吸道梗阻及危重患者的重要手段之一.气管切开后，未经过湿化的干燥空气直接进入下呼吸道，会出现湿化不良引起的并发症. 正常情况下，人体的上呼吸道对吸入空气有过滤加温和湿化的作用，呼吸道随着呼吸运动每天丢失水份可达800ml，因湿化不足，支气管黏膜上皮组织的纤毛运动减弱或消失，分泌物干燥不易排出，形成痰痂堵塞气道，引起窒息或肺部感染.另外，长期吸入干燥气体可使肺泡表面活性物质遭到破坏，导致肺顺应性下降，加重缺氧.实验证明，肺部感染随气体湿化程度的降低而升高[1]。 因此，气管切开后良好的气道管理是保持呼吸道通畅和预防肺部感染的重要保障.使用微量泵持续气道湿化具有定速定量定时给药的优点，已被广泛应用于临床.
【关键词】气管切开；气道管理；持续湿化；微量泵
1 临床资料：
1 .1 一般资料： 2010～2012年我科42例气管切开术后患者，其中男28例，女14例；年龄18～86岁；术后当天开始应用微量泵持续气道湿化.
1. 2 方法： 使用50 mL注射器吸取湿化液与微量泵延长管连接，延长管另一端连接剪去针头的头皮针，排好空气，然后将注射器置于微量泵上， 将剪去针头的头皮针管直接插入气管套管内3-5cm，用胶布固定，根据病人痰液的粘稠情况调节注入速度，一般为2-8ml，将湿化液持续恒速注入气道。
2 护理
2. 1 一般护理
（1）环境 保持环境清洁安静，尽量减少人员走动，经常开窗通风，保持空气新鲜.室温保持在18-20℃.由于正常人体呼吸道相对湿度为95 %-100%才能保证黏膜纤毛的正常活动.故对气管切开术后的患者应保持空气湿度为60%-70%.可以使用空气湿化器，或通过经常拖地、地面洒水等方法.一般认为机械通气期间吸入的气体温度應保持在32-34℃.相对湿度为100 % ，绝对湿度在30-35 ml/c是安全的[2].
（2）消毒隔离 吸痰时严格遵守无菌操作原则，接触病人前后洗手，每日更换切口敷料2-3次，分泌物多时随时更换；加强口腔护理.
2. 2 气道湿化护理
湿化过程中严密观察病人的病情、生命体征的变化.正确掌握辨别痰液粘稠度和气道湿化效果的评价标准，确保病人呼吸道的通畅.
2. 2 .1 痰液粘稠度的辨别
Ⅰ度：痰液呈米汤或白色泡沫状，吸痰后管壁上无痰液滞留.Ⅱ度：痰的外观较Ⅰ度黏稠，吸痰后有少量痰液在吸痰管内壁滞留，但易被水冲洗干净.Ⅲ度：痰的外观明显黏稠，呈黄色并伴有痰痂，吸痰管内壁上常滞留有大量痰液，且不易用水冲洗干净[3].
2 .2 .2 湿化液的选择：可选用生理盐水、盐酸氨溴索、灭菌注射用水等，
或根据医嘱使用湿化液.
2 .2 .3 吸痰指征：①患者出现咳嗽、呼吸困难、紫绀等表现.②肺部听诊可闻及痰鸣音，或靠近患者时不用听诊器即可闻及痰鸣音.③血氧饱和度下降.
2 .2 .4 气道湿化效果的评价标准
a湿化满意：分泌物稀薄，能顺利通过吸引管，导管内没有痰痴，呼吸道通畅，听诊气管内无干鸣音或大量痰鸣音.b湿化不足：分泌物粘稠，吸引困难，病人易出现突然呼吸困难，发绀加重，听诊气道内有干鸣音.c过度湿化：分泌物过于稀薄，量多，需要不断吸引，病人烦躁不安，咳嗽频繁，甚至不用吸引能自行喷出分泌物，严重者可出现发绀，血氧饱和度下降及心率、血压的改变，听诊气管内痰鸣音多.
3 讨论
传统的气道湿化方法：操作时使用20 mL 注射器抽取灭菌注射用水20 mL，在患者吸气末时缓慢注入气道内，间隔30～60min 向气管内注入5～10mL，每次吸痰前再适当注3～5mL，根据痰液的黏稠度增加或减少灭菌注射用水的注入量，每次吸痰后再滴入1 mL.
传统的气道湿化方法可在一定程度上缓解人工气道干燥、失水的状况，但因其缺乏持续性，且每次注入湿化液的量不易控制，注入液量大小不一，故存在较多弊端，未能充分发挥呼吸道的生理作用，其缺点具体表现在以下几个方面：（1）注入湿化液缺乏持续性，不能满足气道的正常生理需求.（2）注入液量过大，超过了气道的承受能力，引起刺激性呛咳，甚至使湿化液被咳出，导致气道未能被充分湿化、痰液未能有效稀释，影响气道湿化效果，痰液变得黏稠，容易形成痰痂甚至痰液阻塞气道.（3）注入液量不足，气道湿化不充分、痰液不能彻底吸出，导致反复吸痰，反复刺激呼吸道黏膜，且注入湿化液时可导致患者的刺激性呛咳，均可引起支气管痉挛、呼吸道黏膜损伤，甚至呼吸道黏膜出血，形成血性痰痂阻塞气道，引起低氧血症，影响患者的治疗效果.
微量泵持续气道加温湿化的优点
（1）气管切开后直接吸入气体失去了鼻腔及口咽部黏膜的湿化作用，而微量泵持续气道湿化将吸入气体湿化，对气道无刺激性，不引起刺激性咳嗽，患者舒适，减少了干燥空气对呼吸道黏膜的刺激，有效防止气道黏膜干燥、减少痰痂的形成.（2）持续湿化使痰液稀释彻底，不容易形成痰痂，吸痰彻底，效果好，从而减少刺激性呛咳、呼吸困难、气道黏膜出血等并发症的发生，进一步减少了低氧血症的发生.（3）持续气道湿化时湿化液匀速进入气道，单位时间进入气道的湿化液量较少，气道刺激性小，从而有效地减少或避免了患者刺激性呛咳的发生，使湿化液能深入至肺内的小气道，气道始终处于湿化状态，符合气道对水分的生理需要，气道状态近似于生理湿化，有利于痰液的稀释和排除.同时呼吸道的相对湿度达到气管黏膜纤毛运动的正常生理需求，充分发挥了纤毛运动清除呼吸道分泌物的作用，使呼吸道的正常生理功能得到保障.促进病人早日康复.
参考文献
[1] 李有莲， 郭模英.气管切开后呼吸道相关因素的监护。中华医学感染杂志， 20 5 ， 10 （ 12 ） ： 14 1.
[2] Sottiaux TM . Consequences of under-humidification and over- humidification [J] · Respir Care clin N Am ， 2006 ， 12（2） ： 233-252.
汽车进气系统传递分析及优化研究 篇5
能把空气或混合气体导入发动机气缸的零部件集合体称为发动机的进气系统, 其主要组件有原始进气道、空气滤清器、连接管路、增压器、中冷却器等。其功能主要是为发动机提供清洁、干燥、充足的空气。众所周知, 发动机是汽车的心脏.而进气系统则是发动机的动脉。进气系统的布置、安装直接影响到发动机功能的发挥、工作的稳定性, 以及可靠性、环保性, 甚至大大影响发动机的使用寿命。统计表明, 发动机的早期磨损、烟大、油耗高、无力等故障, 绝大多数情况与进气系统设计布置不合理有关, 相关所占比例在85%以上。通常, 原始进气道与连接管路截面积越大, 弯曲越少, 管壁越圆滑, 以及空气滤清器额定流量越大, 中冷却器的冷却能力越强, 则整个进气系统性能就越好, 随之发动机性能也越好。
1 原始进气口的设计布置要求
汽车进气系统布置的合理性, 对汽车的性能、可靠性、排放和振动噪声等有直接影响, 因此原始进气口的设计布置要求为:a.原始进气口位置应尽可能高, 布置在雨、雪、灰尘不易进入的部位;外露的原始进气口必须设置雨、雪过滤装置, 将吸人空气中所含的水分离出来, 防止雨、雪进入进气系统。避免损坏发动机。b.原始进气口之附件不应有其它零部件阻挡。c.应避免将机仓内热空气、散热器排出的热风和发动机排出的废气吸人进气系统。d.长头载货车、前置客车、后置客车严禁将空气滤清器进气口作为进气系统的原始进气口, 并且空气滤清器的安装位置不得低于底盘车架大梁上部, 以防止车辆在积水路上面行驶时, 通过空气滤清器排尘口直接吸入水。e.原始进气口不能设在车辆行驶时产生的负压区。[1]
2 空气滤清器的布置要求。
空气滤清器要经常进行保养, 因此要布置在方便保养的部位, 且连接管道长度应尽量短, 以便减少进气阻力。
2.1 空气滤清器的布置原则[2]
a.对于前置发动机客车、轻中型长头载货车, 当空滤装置在前轮之后时。进气系统的进气口须通过管道引至汽车前面罩的上方或车身的上部低温处。b.对于长头载货车, 进气系统的进气口须引至或朝向驾驶室前面侧向的上部低温位置处。c.对于平头载货车, 进气系统的进气口须通过管道引至驾驶室后面的顶部位置处, 且进气口须可靠防雨、防水淋和设置滤网罩盖。对在沙漠、矿山、大粉尘地区等非公路用车辆, 应使用沙漠空滤或在进气口上增加一级多管旋流预滤清空气滤清装置。d.空滤器和管路的安装要保证有足够的离地高度, 避免车辆过水道时空滤进水。e.对于后置发动机, 严禁将空气滤清器进气口作为进气系统的初始进气口, 空滤器进气口务必通过管道引导并设置在能够吸入新鲜空气的地方。
2.2 常见的空气滤清器布置
2.2.1长头载货车空气滤清器的布置。对于中、轻型长头载货车, 空气滤清器一般布置在发动机仓罩内;对于重型长头载货车, 由于空气滤清器比较大, 常布置在车头侧面。2.2.2平头载货车空气滤清器的布置。平头载货车的空气滤清器 (空气滤清器较大) 都放在车身 (头) 的外面, 有的从驾驶室背后竖起一个烟囱样的通气管道, 吸气口在上端朝下或朝外。有的平头载货车的进气管道位于乘客侧的车门和风窗玻璃的交接缝处, 虽然不美观, 但对性能颇有益处。2.2.3客车空气滤清器的布置。前置客车空气滤清器一般布置在车架前悬之前 (或后) ;后置客车空气滤清器一般布置在车架后悬之后。无论布置在什么位置, 空气滤清器的安装位置不得低于底盘车架大梁上部, 防止在积水路面行驶时通过空气滤清器排尘口直接吸入水。
2.3 空气滤清器的布置要求[4]
a.空气滤清器排尘口的安装位置应尽可能远离发动机表面和汽车的迎风面。b.在空气滤清器与进气管路之间应增加软连接。c.空气滤清器安装空气阻力报警器孔不用时应堵上, 否则灰尘很容易直接进入气缸内。d.空气滤清器与消声器布置太近时, 应在两者之间加隔热挡板, 否则进气温度高。e.空气滤清器原始进气口应尽可能高, 并且其截面积应为空滤进气口的1.5倍左右, 以确保能吸进足量且清新的空气。f.空气滤清器原始进风口不能布置在发动机机舱以内, 否则进气温度过高, 且容易吸入风扇吹来的热风、杂物和路面积水, 容易造成堵塞原始进风口的情况。g.空气滤清器不能垂直安装, 其主要原因是:因空滤芯是垂直安装, 紧固螺母在下方, 当车辆运行时, 空气滤清器随着车辆运行而振动, 下方的紧固螺母易松脱, 造成进气管路短路。空气滤清器垂直安装。用户在日常保养空滤芯时。因看不到空滤壳的定位平面, 安装空滤芯时出现偏差, 不易安装到位, 造成进气管路短路。空气滤清器到增压器的联接胶管上紧卡箍部位过硬, 与空滤器及增压器的联接处不易密封, 容易造成进气管路短路, 且灰尘易进入气缸内, 导致缸套、活塞、活塞环早期磨损, 造成发动机窜气, 功率下降, 烧机油等故障的发生。空气滤清器垂直安装, 雨水容易将空滤器滤芯渗湿, 滤芯透气性能差, 发动机进气量不足, 造成发动机无力, 同时雨水也会通过气缸渗到油底壳, 可引起机油变质。
3 优化设计
3.1 优化设计方案对进气系统的优化设计可
以考虑改变空气滤清器的形状和尺寸、添加谐振腔或改变管路的尺寸等方面来考虑, 下面以进气系统的优化设计举例。在改变空气滤清的几何尺寸和添加谐振腔后, 优化后的进气系统的传递损失通过计算得出曲线, 从中可以看出, 如果对原来的进气系统改变几何尺寸和添加谐振腔, 则140Hz附近的传递损失比较大。对此计算结果, 可以通过加工制造样件进行测试验证[3]。
3.2 优化设计的仿真计算与实验测试[5]
在没有空气滤清器时的声压级实验数据曲线和仿真计算数据曲线, 在有空气滤清器时的声压级实验数据曲线和仿真计算数据曲线, 从中可以看出, 尽管仿真计算还不能完全与实验数据曲线重合, 仿真曲线还是很好地体现了实验数据曲线的特点和走向, 因此对虚拟样机还是有很好的指导意义。汽车在2档时测得的汽车通过噪声的自功率谱密度瀑布图中, 只改变空气滤清器的几何尺寸作出自功率谱密度瀑布图, 再根据实验数据描绘出改变空气滤清器的几何尺寸和添加谐振腔后的自功率谱密度瀑布图, 两图相比, 两种方法的第2阶贡献量都被消减。汽车在3档时测得的汽车通过噪声的自功率谱密度瀑布图, 同样的, 进行控制变量法试验, 绘出只改变空气滤清器的几何尺寸的自功率谱密度瀑布图以及改变空气滤清器的几何尺寸和添加谐振腔后的自功率谱密度瀑布图, 两图相比, 只改变几何尺寸反而使噪声加大, 再添加谐振腔后, 与原设计相比, 噪声会有所抑制。
总结
从汽车进气系统的结构分析入手, 统计表明, 发动机的早期磨损, 烟大, 油耗高, 无力等故障, 绝大多数情况与汽车进气系统设计布置不合理有关, 为了使汽车进气系统布置得更合理, 发动机厂与汽车厂对新车型应进行联合开发.并且在样车装配完成后进行联合评审, 把存在的问题消灭在配套开发中。说明进气系统的注意事项与使用时的常见不当方法。能使汽车性能在本来应有的范围内, 可以更好的发挥它的性能, 减轻车辆的损耗。在根据现状进行思考, 着重分析汽车噪音问题。以进气系统为切入点, 进行多次的实验, 并描点作图, 根据图像的走势, 确定改进的方法。最后采用改变空气滤清器的几何尺寸和添加谐振腔的方法, 可以将汽车的通过噪声降低2.5 d B (A) , 其他方面的性能仍满足原始设计的要求。以此在不做过大的改动下, 可以尽可能的改善进气系统的噪音问题。
参考文献
[1]李国岫.车用发动机电控系统优化标定方法的研究[J].柴油机设计与制造, 2005, (1)
[2]张驰.六西格玛试验设计[M].广州:广东经济出版社, 2003.
[3]马蔚纯等.高密度城市道路交通噪音的典型分布及其在战略环境评价中的应用.
[4]任亮.电控柴油机在线标定系统设计[J].内燃机工程, 2005, (2) .
汽车进气道 篇6
关键词：汽车发动机,缸盖,生产线,进气口清洗
0引言
本设计任务是当汽车发动机缸盖与进、排气门自动装配完成后,对进气门进行清洗,清除进气门密封表面的残留物。根据设计任务的工艺要求,本课题主要研究内容是汽车发动机缸盖清洗装置的设计,并解决以下几个关键问题的设计:1)顶开进气门阀的机构设计。可以选用凸轮机构,通过凸轮机构的转动,带动顶杆向下顶开进气门,进而完成工作要求。2)驱动凸轮机构的装置设计。可以采用电动机来驱动,由于电动机一般转速较高,所以可以选用减速电动机进行驱动。电动机转动,带动皮带轮转动,使得凸轮轴跟着转动,从而完成工作。3)进气口的清洗及密封圈设计。在进行清洗时,要保证清洗装置和进气口之间的密封性,这样才能使清洗时,高压空气完全用来清洗进气门的残留物。4)缸盖的固定。因为在进气口两边的清洗装置工作时,会给缸盖向上的力,容易使缸盖错位而不能进行正常的清洗。
1汽车发动机清洗装置的总体设计
1.1清洗目的及清洗方式的确定
生产线的清洗工序的目的是将残留在发动机进气口通道及气阀密封表面上的杂质、灰尘等清洗掉,确保气阀密封可靠,以保证发动机的正常工作。
清洗方式采用高压空气吹入法。这种方法就是对进气口通入高压空气,随着高压气流的流动,将杂质或尘土等吹掉。用高压空气清洗是比较传统也比较典型的清洗方式。本方法既可以保证清洗质量,而且也比较节省能源。
1.2缸盖进气门清洗装置设计
根据以上的构思和任务书的要求,完成汽车发动机缸盖进气门清洗装置的设计。该装置大体上由以下几个部分组成:气缸,电动机,皮带轮,凸轮机构,清洗装置,托盘,支架,提升装置等。
该装置的工作过程如下:电动机驱动,经过减速器带动皮带轮转动,凸轮轴随着皮带轮一起转动,使顶杆作上下往复运动,而缸盖的气门阀杆也跟着上下运动,使进气门往复开闭,这时,两端的清洗装置通过气缸的作用,到达工作位置对进气门通入高压空气,进行清洗。
2清洗装置主要部件设计
2.1凸轮机构设计
当发动机到达清洗工序时,由于发动机上的凸轮轴并未安装,所以在进行这部分工作时,需要设计出一套完整、完善的凸轮机构,以使进气口阀打开。当各阀打开后,再通入高压空气使得通道中的一些杂质(灰尘,碎屑等)被吹掉,从而达到清洗的目的。
进行凸轮机构设计时,采用凸轮的凸起部分在同一个位置(见图2)。
2.1.1凸轮机构基本尺寸设计
凸轮机构是使从动件作预期规律运动的高副机构。本设计中的凸轮机构尺寸如图3。
2.1.2凸轮的最大压力角
压力角就是在从动件与凸轮的接触点上,从动件所受正压力与其速度之间所夹的锐角。
最大压力角α=30°,见图4。
2.1.3凸轮的材料及热处理
凸轮材料及热处理要求见表1。
凸轮的强度校核及许用应力的计算:
2.2电动机选择
电动机的工作功率:PW=T·n/9550=24×100/9550=0.25 k W。根据实际的需要,选择额定功率0.55 k W的YCJP系列齿轮减速三相异步电动机。
2.3带传动设计
2.3.1带传动的选择
根据实际结构的要求,选择单面梯形齿同步带,节距Pb=9.925 mm,公称长度LP=314.33 mm,齿数Zb=33。
2.3.2带传动的设计计算
7)带宽:bs取25 mm。
8)轴上的力:FQ=1000 Pd/v=1000×0.935/0.523=1787.76 N。
2.4气缸的选择
2.4.1顶部气缸的选择
气门清洗机构连同电动机自重约为800 N,选取QGB63×150后法兰型双作用气缸。
2.4.2进气口端的气缸的选择
选取气缸类型为QGB50×300前法兰型双作用气缸。
2.5缸盖的固定
在对发动机缸盖进行清洗时,由于两边的进出气口清洗装置和发动机有一定的角度,所以会给缸盖向上的力,而容易使缸盖产生错位,所以要对缸盖进行固定。采用顶端方板固定,方板上端和气缸连接,方板在发动机缸盖上端固定,可以直接抵消向上的力,而且在前面的设计中,上端有气缸及其它机构,这样就可以直接把方板设计到上端的机构上,会使结构更加紧凑。
2.6进气口清洗机构的设计
如图5所示为发动机缸盖进气口端的示意图,根据进气口的形状,进行进气口装置的设计。
清洗装置见图6。
3结语
本文完成了发动机生产线进气门清洗装置的总体结构设计,并对凸轮机构、电动机的选择、带传动的设计、气缸的确定、缸盖的固定等方面进行了理论分析和设计计算。对于完善发动机自动化生产线提供一些比较有价值的参考。本课题设计装置,结构设计合理,实施可行。
参考文献
[1]陈家瑞.汽车构造[M].3版.北京:人民交通出版社,1995.
[2]杨玉如.发动机与汽车理论[M].北京:人民交通出版社,1998.
[3]机械设计师手册编写组.机械设计师手册[M].北京:机械工业出版社,1998.
汽车进气道 篇7
关键词：内燃机,柴油机,双进气道,可调进气涡流,形成机理
0概述
可调进气涡流对于改善全工况范围内柴油机的油气混合、燃烧过程有很大帮助。对于四气门柴油机而言,进气涡流的调节特性受到两个进气道的自身形状、组合方式、布置位置及进气调节方式等条件的影响。通常采用调节阀板改变进气道的流通截面积或进气流动的方向来改变进气涡流,有些情况下,随着被调节气道流通截面的减少,流量系数减小,而进气涡流比增加,这种情况通常对燃烧匹配有利;有些情况下,随着被调节气道流通截面的减少,进气涡流比也减小,这种情况通常对燃烧匹配不利[1,2,3]。
本文设计了切向气道Z1/螺旋气道L1的组合(见图1)和切向气道Z2/螺旋气道L2的双进气道组合(见图2)。利用挡板遮挡切向气道入口的方式,进行了两种气道组合的可调进气涡流特性试验。针对试验结果,采用进气流动三维仿真的手段,对上述两种气道组合的进气涡流调节前后的进气流场进行了模拟计算,分析了两者流场变化的区别,进而揭示双进气道柴油机可调进气涡流形成的机理。
1双进气道可调进气涡流的试验
1.1试验方法
在稳流气道试验台上,在进气道前后压差相等的条件下进行吹风试验,采取横挡板遮挡直气道Z1和Z2的方法,如图3所示,分别对气道Z1和L1组合、Z2和L2组合的进气涡流可调性进行试验。遮挡的高度分别为0 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm。表1为试验工况的控制参数。
1.2试验结果
图4为气道Z1和L1组合的可调涡流试验结果:随着直气道Z1被遮挡高度的增加,进气的流量系数逐渐减少;而涡流比为先增加后减少,遮挡高度为20 mm时的涡流比最大为1.12,比气道没有遮挡时的涡流比0.95增加了17.5 %。
图5为气道Z2和L2组合的可调涡流试验结果:随着直气道Z2被遮挡的高度增加,进气的流量系数逐渐减少;而涡流比也在逐渐减少,在遮挡高度为20 mm时,测得的涡流比为0.99,比气道没有遮挡时的涡流比1.03减少了4 %。
通过对比试验的结果可知:气道Z1和L1组合的进气涡流可调性能较好,这是牺牲了流量系数换来了涡流比的提高;而Z2和L2组合的进气涡流可调性较差,流量系数减少的同时,涡流比也减少。
2可调进气涡流仿真计算
为了保证FIRE三维CFD软件仿真计算结果的精度和可比性,首先对仿真计算的各环节进行了校核和试验验证:通过对不同的进气流动计算域模型、湍流模型、差分格式、混合因子、网格密度、边界条件的设置和选取,比较它们对计算结果的影响和差异,并和稳流气道试验的结果进行对比。经过此过程,在不同假想转速下的流量系数和涡流比的计算值和试验值之间的误差在5 %以内。这种条件下得到的三维计算结果才具有一定的可信度,计算所得的流场结构可真实表达进气通道内的流场情况[4,5]。
按照校核和验证环节中所确定的条件,选择了整个稳流试验台为计算域,网格数为27万,在气门喉口处的网格平均最小尺度为1.7 mm,湍流模型采用标准的κ-ε模型,动量矩方程、连续性方程、湍流方程的差分格式均采用混合差分格式、计算方法为SIMPLE算法,气流进口边界条件为总压条件,气流出口边界条件为静压条件。以气道Z1/L1组合和气道Z2/L2组合为计算对象,选择两种计算状况:切向气道Z1和Z2没有被阀板遮挡;切向气道Z1和 Z2入口下部被遮挡20 mm,气道局部网格分别见图6、图7。 计算在等压差的条件下进行,控制参数按表1中的数值设置。
3计算结果
3.1Z1和L1气道组合的进气涡流可调性结果
表2为两种情况下的涡流比和流量系数的计算结果对比:切向气道被遮挡20 mm时的涡流比比无阀板遮挡时的涡流比高14.2 %;切向气道被遮挡20 mm时的流量系数比无阀板遮挡时的流量系数低18.2 %。计算结果和试验结果接近。
图8为调节前后气缸盖底面以下5 mm处截面流场比较。由图8可见:在缸盖底面以下5 mm处的截面内,进气流动调节前后的流场明显不同。图8a所示的切向气道出口的速度比图8b的速度大,而螺旋气道出口的流速变化不大。由于从切向气道ⅲ区域流出的气体的方向与螺旋气道Ⅰ、Ⅲ区域流出气体的方向相反,所以切向气道ⅲ区域的出流实际上阻碍了螺旋气道产生旋涡的发展,同切向气道被遮挡20 mm相比,由于气道没有被遮挡时ⅲ区域的出流速度较大,所以它对螺旋气道形成大旋涡的阻碍较大。同时,由于切向气道ⅳ区域的出流方向和螺旋气道Ⅳ的出流方向相反,造成切向气道ⅳ区域的出流也阻碍了螺旋气道产生的旋涡向气缸的中部发展,而且气道没有被遮挡时,由于ⅳ区域的出流速度大,对螺旋气道形成大旋涡的阻碍较大。此外,切向气道ⅳ区域的出流和螺旋气道Ⅳ的出流汇合后形成的一股合流向气缸中部发展,并和切向气道ⅱ区域的出流在图示流场的下方相撞,阻碍切向气道ⅱ区域的出流沿壁面形成旋涡;当切向气道没有被遮挡时,由于切向气道ⅳ区域的出流和螺旋气道Ⅳ的出流的汇合流速度较大,对壁面顺时针旋转气体的阻碍也较大,而当切向气道被遮挡时,这种阻碍作用小得多。
图9为调节前后气缸盖底面25 mm处截面流场比较。由图9可见:在缸盖底面以下25 mm处的截面内,调节前后的流场结构明显不同。从图9a中可以看出,切向气道没有阀板遮挡时,从螺旋气道Ⅳ区域流出的气体和从切向气道ⅳ区域流出的气体合二为一,流向气缸壁面,在壁面附近又一分为二,一部分顺时针流动,在截面内的流场左侧开始形成顺时针旋转的旋涡;另一部分逆时针流动,并和切向气道ⅱ区域流出的气体相撞,在右下侧产生一个小旋涡。从图9b中可以看出,切向气道被遮挡20 mm时,虽然在截面内还没有形成明显的大旋涡,但是从螺旋气道Ⅳ区域流出的气体和从切向气道ⅳ区域流出的气体合二为一并沿着气缸壁顺时针旋转。如图10a所示在气道没有阀板遮挡时,螺旋气道产生顺时针旋涡,由于受到切向气道ⅳ区域出流的影响,没有发展到整个气缸,而由于受到ⅳ、Ⅳ区域出流的合流的影响,切向气道ⅱ区域的出流沿着气缸外缘形成的顺时针涡流的影响力较弱,致使在距缸盖底面225 mm的截面内,在右下部气缸壁附近形成了一个非涡心的低速F区域,较明显的旋涡的涡心距离气缸中心22.5 mm,气缸外缘的流体速度不均匀性较大,在截面内的速度分量为4.5～10 m/s;如图10b所示,当切向气道被遮挡20 mm时,由于切向气道ⅳ的出流速度减小,对螺旋气道形成的旋涡以及切向气道ⅱ区域的出流形成的旋涡的负面影响减小,因此,螺旋气道产生的旋涡可以向气缸的外缘逐步扩展,而切向气道ⅱ区域的出流沿着气缸外缘顺时针旋转也得到较好的发展,最终两者合二为一,逐渐在距缸盖底面225 mm的截面内形成一个大的、稳定的旋涡,这个大旋涡近似刚性涡,只有一个低速区——涡心区,并且这个涡心距离气缸中心较近,为14.6 mm,气缸外缘流体的速度分布较好,在截面内的速度分量为9～13 m/s。
相比之下,尽管切向气道被遮挡20 mm时,进气流量有所减少,但是旋涡中心距气缸中心的距离减小,气缸外缘流体的速度在缸盖底面以下225 mm的截面的分量较大,所以气流对气缸中心的动量矩更大,所产生的涡流比更大。
3.2Z2和L2气道组合的进气涡流可调性的结果
表3为两种情况下的涡流比和流量系数的计算结果对比:气道被遮挡20 mm时的涡流比比气道无阀板遮挡时的涡流比下降3 %;气道被遮挡20 mm时的流量系数比气道无阀板遮挡时的流量系数低14.8 %。计算结果与试验结果也比较接近。
图11为Z2和L2组合气道调节前后气缸盖底面以下5 mm处的内部流场。由图11可见:在缸盖底面以下5 mm处的截面内,进气流动调节前后的流场明显不同。图11a所示的切向气道出口的速度比图11b的速度大,而螺旋气道出口的流速变化不大。与Z1/L1组合的情况相同,切向气道ⅲ区域的出流阻碍了螺旋气道Ⅰ、Ⅲ区域出流沿气缸壁面的顺时针发展,同切向气道被遮挡20 mm相比,由于切向气道内没有被遮挡时ⅲ区域的出流速度较大,所以它对螺旋气道形成大旋涡的阻碍较大。同样,切向气道ⅳ区域的出流也阻碍了螺旋气道产生的旋涡向气缸的中部发展,而且在切向气道没有被遮挡时,由于ⅳ区域的出流速度大,对螺旋气道形成大旋涡的阻碍较大。但是,与Z1/L1组合情况不同的是,切向气道ⅳ区域的出流和螺旋气道Ⅳ区域的出流汇合后形成一股合流,这股合流受到切向气道ⅱ区域的出流的影响,在气缸壁附近也产生顺时针旋转,即这股合流促进了整个气缸内大旋涡的生成;当切向气道被遮挡20 mm时,这股合流的速度减小,它所形成旋涡的能力减弱,进而削弱了整个气缸内大旋涡的形成。
图12为Z2和L2组合气道气缸盖底面25 mm处的内部流场。由图12可见:在缸盖底面以下25 mm处的截面内,进气流动调节前后的流场在截面内的左侧开始形成一个旋涡,在右侧形成一个非涡的低速区。如图13所示, 在缸盖底面以下225 mm处的截面内,当切向气道没有被遮挡时,在截面内形成一个涡心比较稳定的大旋涡,涡心距离气缸中心21 mm, 气缸边缘的气体流速在此截面内的分量为9.6～9.8 m/s。当切向气道被遮挡20 mm时,在截面内也形成一个涡心比较稳定的大旋涡,涡心距离气缸中心23.6 mm, 气缸边缘的气体流速在此截面内的速度分量为8.6～8.9 m/s。
通过以上比较,从在缸盖底面以下225 mm处的截面内的流场速度分布可见,切向气道被遮挡20 mm时,涡心远离了气缸中心,气缸外缘的流体速度在此截面内的分量也减小,气流对气缸中心的动量矩减小,所以造成气流整体的涡流比有所降低。
4结论
从对Z1/L1气道组合和Z2/L2气道组合的进气涡流可调性的流动仿真结果来看,在相同的气道压差下,与Z2/L2气道组合相比,Z1/L1组合的流量系数稍小,无阀板遮挡时的基础涡流比较低,但是Z1/L1气道组合的进气涡流可调性较好。经过对两种气道组合的进气流场结构的分析和比较结果表明:螺旋气道在Ⅳ区域的出流和切向气道在ⅳ区域的出流的合流的速度大小和方向对进气涡流形成有很大的影响,当它对气缸内涡流发展产生较大的负面影响时,这种气道组合会有较好的进气涡流可调性;反之,则进气涡流可调性差。
参考文献
[1]林学东,刘忠长,刘巽俊.采用可变进气涡流机构改善柴油机的性能[J].农业机械学报,1999(5):5-8.Lin X D,Liu Z C,Liu X J.Improvement of diesel performanceand emission by variable swirl system[J].Transactions of theChinese Society for Agricultural Machinery,1999(5):5-8.
[2]吴志军,黄震,李军,等.四气门柴油机的可变涡流进气系统的试验研究[J].内燃机工程,2001,22(4):74-79.Wu Z J,Huang Z,Li J,et al.An experimental study on thevariable swirl system in a four-valve diesel engine[J].ChineseInternal Combustion Engine Engineering,2001,22(4):74-79.
[3]杜巍,李向荣,李丽婷.进气道位置对柴油机进气涡流可调性能影响的试验研究[J].内燃机工程,2006,26(3):22-24.Du W,Li X R,Li L T.Research into the effect of intake portposition on the variable performance of intake swirl in diesel en-gine[J].Chinese Internal Combustion Engine Engineering,2006,26(3):22-24.
[4]杜巍.双进气道柴油机可调进气涡流形成机理及应用研究[D].北京:北京理工大学,2006.Du W.Investigation on mechanism and application of variableintake swirl in double-intake-port diesel engine[D].Beijing:Beijing Institute of Technology,2006.
四气门柴油机进气道开发 篇8
内燃机缸内气体运动对混合气形成和燃烧过程有决定性影响, 而进气过程中由进气道进入气缸的空气量和气体的速度分布及其涡流和湍流状况等对缸内气体流动有直接影响[1,2]。因此, 进气道设计的优劣在很大程度上影响着发动机的动力性、经济性、燃烧噪声和有害气体的排放。由于气道结构相当复杂、自由曲面较多, 在设计开发及生产过程中很多工艺都会对气道性能产生影响[3,4]。目前, 国内的气道开发还主要是在原有机型气道上进行改进和调整[5], 对原有气道的复制效果在很大程度上决定着新产品的性能。
本文在对某四气门双进气道柴油机气道的设计开发过程中, 采取了不同的气道逆向开发方法, 通过气道稳流试验和模拟计算研究不同逆向开发方法的复制效果及对气道流通特性的影响。通过气道稳流试验和模拟计算, 分析了所开发气道的性能, 从而获得了理想的涡流比、流量系数等气道参数。结果表明, CAD/CAM气道芯盒制作方法与传统手工气道芯盒制作方法相比, 逆向开发的精确度高, 复制效果更好, 实现了气道产品信息的精确表达。
1气道逆向开发方法
目前常用的气道逆向开发方法有两大类, 分别为传统手工气道芯盒制作方法和CAD/CAM气道芯盒制作方法, 其对于不同的复制对象又有不同的技术路线, 如表1和表2所示。由于开发阶段的芯盒通常情况下不易获得, 本次采用的技术路线包括传统方法的方案3和CAD/CAM方法的方案2, 即采用六缸柴油机气道砂芯作为复制对象, 同时使用传统手工气道芯盒制作方法和CAD/CAM气道芯盒制作方法进行复制, 并与原有缸盖进行对比验证。
2气道芯盒的制作
制作气道芯盒的原型机参数如表3所示。
2.1采用传统手工方法制作气道芯盒
按传统手工方法制作气道芯盒, 首先利用气道砂芯制造石膏芯盒后套取树脂阳模, 再将树脂阳模放入环氧树脂中反扣出上、下两块的气道阴模, 即气道芯盒, 如图1所示。
2.2采用CAD/CAM方法制取气道芯盒
采用CAD/CAM方法制作气道芯盒同样以进气道砂芯作为复制对象, 利用逆向工程的方法反求气道砂芯曲面, 从而建立数字化芯盒模型。首先, 采用三维扫描仪进行曲面测量完成逆向扫描, 得到气道砂芯的点云数据 (点云扫描采用德国GOM公司生产的ATOS流动光学扫描仪, 其采用可见光将特定的光栅条纹投影到测量工作表面, 借助两个高分辨率CCD数码相机对光栅干涉条纹进行拍照, 利用光学拍照定位技术和光栅测量原理, 以及不同视角点云的自动拼合技术, 可在极短时间内获得复杂工作表面的完整点云) ;然后, 对点云数据进行处理, 完成气道的CAD建模。
由测量得到的离散点构造物体表面的形状, 可通过以下几种方法: (1) 由特征曲线构造曲面。可以较好地反映出物体的表面特征, 可获得较好的表面边界, 但仅用于具有相应几何特征的曲面, 并可能导致拟合精度及可靠性方面的问题。 (2) 直接由点拟合NURBS曲面。可拟合出任意曲面形状, 但在曲面边缘效果不理想。 (3) 先由点生成多边形网格, 再用一组曲面片拟合这些多边形网格。多边形网格 (通常为三角形网格) 可自动生成, 对所采集点的完整性及均匀性要求较高, 否则难以获得有效的多边形网格。此外, 由多边形网格找出物体表面边界亦存在一定的困难。
本文根据物体表面特征, 将上述几种方法进行组合, 首先定义出表面边界曲线, 然后由该边界曲线和该边界内所包含的点来拟合出相应的曲面, 获得较好的拟合结果。图2a和图2b为利用UG三维造型软件对气道进行建模的模型。用数控机床加工出气道芯盒, 如图2c和图2d所示。
3气道稳流试验结果分析
将传统手工方法制作出的传统芯盒和CAD/CAM方法制作的数字芯盒, 在天津大学内燃机燃烧学国家重点试验室的气道稳流试验台上进行了试验[6], 试验采用了Ricardo评价方法计算流量系数和涡流比, 它们分别反映了进气道流通能力和气流品质。为了能够更加明显地比较出两种芯盒制作方法的差异, 对两种芯盒的试验数据以及原机缸盖的试验数据进行了比较。
从气道平均评价参数 (图3) 上可以明显地看出, 对于平均流量系数, 传统芯盒和数字芯盒与缸盖差别都很小, 分别为1.05 %和0.7 %;而对于涡流比, 传统芯盒较缸盖小0.148 7, 差别较大。这方面数字芯盒则表现出较好的一致性, 其涡流比相比缸盖高0.003 5, 偏差不到0.4 %。
由图4可以看出, 当两气门同时开启时, 对于流量系数, 传统芯盒和数字芯盒与缸盖的试验数据吻合的很好。在气门开启最大时 (9.97 mm) , 数字芯盒的流量系数较缸盖高0.008, 其差别不到1.5 %。在气门开启较小时 (3.01 mm) 传统芯盒的流量系数偏高0.030 5, 其差别较大。对于涡流强度, 数字芯盒与缸盖符合得比较好, 最大差别产生在气门最大升程时 (9.97 mm) , 为0.007 5, 偏差小于2.3 %。而传统芯盒从趋势上与缸盖一致, 但在气门升程为8.01和9.97时, 分别比缸盖低0.028 9和0.013 5, 差别较大。
在气门单一开启时, 从平均评价参数 (图5 和图6) 上可以看到, 数字芯盒的平均流量系数比缸盖稍高, 涡流比偏低, 但偏差都不大于2.5 %。从单一气门开启的曲线图 (图7和图8) 上也可以看出数字芯盒曲线与气缸吻合更好。而传统芯盒则差一些, 流量系数随气门升程变化曲线比缸盖总体偏高0.07左右, 涡流强度随气门升程变化曲线与缸盖产生交叉, 前期涡流比较缸盖小而后期较缸盖大, 偏差在0.06左右。
综上所述, CAD/CAM方法制取的气道芯盒 (数字芯盒) 与原机缸盖的气道稳流试验参数数据吻合较好, 而传统手工方法制取的气道芯盒一致性稍差。
4进气道稳态流动特性的数值模拟
为了深入了解气道内气体流动过程, 分析气道的流场结构是否合理, 对气道进行了稳态模拟计算。稳态模拟计算采用由CAD/CAM方法制作的数字芯盒作为气道的计算模型, 见图9, 在Hypermesh中进行面网格处理, 然后将其导入Fire中进行体网格的划分, 最后导入Fluent进行计算参数的设定。计算用湍流模型为k-epsilon RNG模型[7,8], 对于近壁面区采用壁面函数进行模拟。采用用户函数来监控流体的动量矩流率, 待其稳定时视为计算收敛。
从图10所示的平均评价参数可以看出稳态计算结果与试验结果很相近, 平均流量系数比试验值大0.018 6, 涡流比比试验值小0.019 3。图11所示的流量系数的CFD计算结果与试验结果趋势一致, 吻合较好;涡流强度的CFD计算结果与试验结果吻合稍差, 但在误差范围内。因此可以认为计算模型可靠, 模拟结果可以作为气道性能的分析依据。
5结论
(1) 采用传统气道制作方法与先进的CAD/CAM技术, 分别制作出环氧树脂芯盒和数字化芯盒。
(2) CAD/CAM气道开发方法得到的数字化芯盒流通能力和涡流强度与目标气道相当, 气道稳流试验结果表明, CAD/CAM技术制作的气道芯盒与目标气道平均流量系数和涡流比的差别不到1 %。
(3) 基于CAD技术的进气道三维模型, 进行了气道流动参数的稳态计算, 计算结果与气道稳流试验结果吻合良好, 气道流量系数和涡流强度等随气门升程变化规律一致, 平均流量系数和涡流比计算与试验结果偏差约3 %。
(4) CAD/CAM气道开发方法所得到的气道芯盒性能更接近原缸盖气道。经过CAD造型得到数字化芯盒, 同时可以进行气道的CFD模拟计算, 从而对气道流场进行深入的分析, 为气道的优化改进提供指导。
摘要：通过采用传统的气道芯盒制作方法和先进的CAD/CAM制作方法相结合的技术, 对国内某四气门柴油机进气道进行了设计开发, 制作出不同的气道芯盒。气道稳流试验结果表明, CAD/CAM技术制作的气道芯盒与目标气道平均流量系数和涡流比的差别不到1%;稳态计算结果与气道稳流试验结果吻合良好, 平均流量系数和涡流比与试验结果偏差在3%左右。研究表明, 基于CAD/CAM的气道开发方法与传统气道开发方法相比, 更能满足气道开发的要求。
关键词：内燃机,气道,逆向开发,CAD/CAM,CFD
参考文献
[1]周龙保.内燃机学[M].北京:机械工业出版社, 1998.
[2]Li Y, Liu S, Shi S X, et al.Effects of combination and orienta-tion of intake ports on swir1 motion in four-valve DI diesel en-gine[C].SAE 2000-01-182.
[3]Liu S, Shen J, Li Y, et al.An investigation of the effects ofmanufacturing deviations of helical inlet port on the flow char-acteristics of DI diesel engines[C].SAE 2001-01-3507.
[4]刘书亮, 李玉峰, 龚晓晖, 等.四气门直喷柴油机进气道组合和位置对进气涡流的影响[J].内燃机学报, 2001, 19 (3) :209-214.Liu S L, Li Y F, Gong X H, et al.Effects of combination andorientation of intake ports on swirl in four-valve DI diesel en-gines[J].Transactions of CSICE, 2001, 19 (3) :209-214.
[5]李康.现代气道开发方法[J].汽车技术, 2001 (3) :1-4.Li K.A developing way of modern engine air port[J].Auto-mobile Technology, 2001 (3) :1-4.
[6]王天友, 林荣文, 刘书亮, 等.直喷式柴油机进气道变压差稳流试验方法的研究[J].内燃机学报, 2005, 23 (2) :131-136.Wang T Y, Lin R W, Liu S L, et al.Study on steady flow testmethod for inlet port of DI diesel engines with variable pressuredrop[J].Transactions of CSICE, 2005, 23 (2) :131-136.
[7]Page V J.The application of design of experiments and CFD tothe optimization of a fully parametric helical port design[C].Computational and Experimental Methods in Reciprocation En-gines, London, 2000, 11, ImeehE Paper C587/014/2000.
吃饭说说笑 异物堵气道 篇9
那天于先生与一帮朋友聚会,饭桌上,大家一边喝酒吃菜,一边海阔天空地神聊,气氛十分活跃。这时一位朋友突然冒出句非常逗乐的话,全桌人顿时都被逗得哈哈大笑起来。此时于先生刚往嘴里送了一口菜,也忍不住张嘴大笑。可就在这一瞬间,嘴里的食物被吸入气管卡在那里。顿时他感到憋闷异常,说不出话也喘不上气。朋友忙为他拍背,他自己则用手指抠喉咙,企图将异物吐出来,但都不见效。眼看于先生被憋得脸色由红变紫,两眼圆睁,痛苦异常,朋友们立即将其送往附近的解放军304医院求助。急救部副主任彭国球接诊后,立即对患者实施手法异物排除急救,很快将患者误入气管的异物排了出来,解除了险情。
据彭主任介绍,医院急诊部经常会救治一些气管异物患者,其中婴幼儿居多,成年人相对少些。婴幼儿出现气管异物,主要是其吞咽功能发育不全造成的。成人气管异物,常常是因工作时口含小物件,如铁钉、纽扣、笔帽,或边吃东西边说话等情况下,不小心误将异物吸入气管。
气管异物是急症,严重者抢救不及时会送命,因此重在预防。对婴幼儿平时要注意看护,教育他们不往嘴里放小玩具,吃东西时要安静,不要打闹跑动。成年人则要养成不用口含工具、吃饭不说话的好习惯。一旦发生气管异物,要及时到医院求助医生,因为异物很少能自行咳出。气管异物即使体积较小,一时对通气影响不大,也不可掉以轻心,因为异物长期存在于气管或肺部,会引起气管炎、肺炎、肺气肿、肺不张、肺脓疡或其他更严重的后果。