柴油机螺旋进气道参数化设计及流动特性的影响机理

中小功率直喷柴油机常采用螺旋气道或螺旋气道与切向气道组合的结构。螺旋气道几何形状复杂，其流动特性直接影响进入气缸的空气量、气体的速度分布、涡流和湍流状况，进而影响柴油机的动力性、经济性、燃烧噪声和有害废气的排放，是高效低污染直喷柴油机设计的关键技术之一。针对螺旋气道自由曲面特征，分析螺旋段、直流段和过渡段三维空间曲线的分布规律，研究影响螺旋气道几何形状的关键结构参数和控制型线，通过建立气道关键结构参数与几何形状的尺寸关联，研究螺旋气道参数化建模方法；采用气体流动数值模拟方法、结合试验设计方法、气道稳流模拟试验和粒子图像速度试验，系统研究螺旋气道几何结构和气道出口涡流斜面等对气道流动特性、气道和缸内气体的速度分布、涡流和湍流状况的影响关系，找出敏感影响参数，分析变化规律，揭示螺旋气道流动特性的影响机理，提出螺旋气道参数化设计方法，为高效低污染直喷柴油机螺旋气道的参数化设计提供理论依据。

针对柴油机螺旋气道自由曲面特征，分析了螺旋段、直流段和过渡段三维空间曲线的分布规律，通过建立气道关键结构参数与几何形状的尺寸关联，研究了螺旋气道参数化建模方法，建立了螺旋气道参数化模型。结合气道稳流模拟试验数据，采用CFD数值模拟方法分别建立了2气门和4气门进气道气体流动仿真模型，分析了螺旋气道流动特性及其影响机理、4气门双进气道不同组合对进气和压缩行程缸内流场的影响，提出了一种螺旋进气道参数化设计方法。研究表明：.（1）采用阿基米德螺线和标准连锁螺线等螺线方程可以建立螺旋进气道螺旋段表面曲线方程。通过启用螺线曲线、直流段轮廓线和过渡段曲线的关联特性以及次要特征的控制参数，可实现螺旋进气道的参数化建模，从而实现螺旋进气道的正向设计。.（2）进入螺旋气道内部气流，经过螺旋气道直流段进入到螺旋段以后，主要形成两股气流，一部分沿着螺旋段蜗壳通过气门后形成很强的旋转气流，另一部分则直接从螺旋气道下端沿气门锥角方向直接进入气缸，在气门盘正下方形成纵向涡流和切向气流。二者分配比例直接关系到进气道的流通能力以及形成涡流强度的大小。若要改变进气道其整体性能，可以从调整两股气流流量分配比例和流动方向两方面着手。.（3）通过改变气道过渡段外侧曲面形状改变最小截面积对气道流动特性影响呈现一定规律：随着最小截面积的增大，流量系数增加，涡流比下降。通过改变气道过渡段内侧曲面形状改变最小截面积对气道流动特性的影响没有明显规律。.（4）在气道入口形状、入口高度和涡流室高度影响因素中，涡流室高度对气道流动特性影响最大。在一定范围内，随螺旋段螺旋半径的增大，气道流量系数增大，涡流比减小。随螺旋段螺旋终止角的增大，变化规律较为复杂。.（5）与单个进气道相比，采用双进气道的组合，进气流通截面积增加了48%，充气效率明显提高。同时，在一定程度上提高了小气门升程时的涡流比，对混合气质量有重要意义。在双进气道组合中两个相邻进气道的进气流动存在相互干涉，这对缸内流量系数影响不大，但对缸内气体涡流运动会产生较大的影响，尤其在小气门升程时两个气道间的影响非常明显。