進(jìn)氣渦流

在實(shí)際運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)中，進(jìn)氣渦流的特性難以確定，通常在穩(wěn)流氣道試驗(yàn)臺(tái)上試驗(yàn)時(shí)，使用葉片風(fēng)速計(jì)或動(dòng)量式渦流計(jì)進(jìn)行測(cè)量，每種方法均有相應(yīng)的計(jì)算渦流比和流量系數(shù)的方法，以此對(duì)進(jìn)氣渦流的特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

葉片式風(fēng)速計(jì)是最簡(jiǎn)單、最便宜的一種測(cè)量進(jìn)氣渦流比的儀器，它主要用于穩(wěn)流氣道試驗(yàn)臺(tái)上，由缸筒內(nèi)風(fēng)速計(jì)的葉片的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)表示氣體流過(guò)進(jìn)氣道時(shí)產(chǎn)生的渦流轉(zhuǎn)速，進(jìn)而處理出渦流比，通常采用Ricardo渦流比等來(lái)評(píng)價(jià)氣道產(chǎn)生的渦流能力，雖然測(cè)量的渦流轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)實(shí)際的渦流轉(zhuǎn)速有所不同，但是仍然可以橫向?qū)Ρ炔煌M(jìn)氣道產(chǎn)生渦流的能力。

在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程中，需要組織渦流以改善燃油的霧化，促使油束和空氣的迅速混合。但渦流在各種轉(zhuǎn)速和負(fù)荷是不變的，即全部采用旋流起到產(chǎn)生的空氣渦流。隨著世界各國(guó)排放法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)，燃油消耗量Ft趨降低，這就要求最大限度地挖掘發(fā)動(dòng)機(jī)的潛能。經(jīng)多年的研究發(fā)現(xiàn)，在某一工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)存在一個(gè)最佳渦流比，而并不是越大越好。另外，不同工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)進(jìn)氣渦流的要求也不同。對(duì)直噴式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，高負(fù)荷工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)供油量大，噴油壓力高(柱塞泵)，燃油霧化較好，需要的氣量也大，要求進(jìn)氣流動(dòng)損失較小，同時(shí)渦流可稍弱。在車用發(fā)動(dòng)機(jī)大部分時(shí)間運(yùn)行的中低負(fù)荷工況下，循環(huán)供油量小，燃燒噴射壓力低，因而霧化差，需要的氣量也較少，所以可以犧牲一部分進(jìn)氣量，以獲得較強(qiáng)的進(jìn)氣渦流，促使油霧與空氣的混合，改善燃燒過(guò)程，提高燃燒效率。這一對(duì)矛盾是無(wú)法調(diào)和的，因此不但要使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生進(jìn)氣渦流，而且要使渦流的強(qiáng)度隨不同的發(fā)動(dòng)機(jī)工況可調(diào)。

可變進(jìn)氣渦流機(jī)構(gòu)總的設(shè)計(jì)原則是不應(yīng)降低流量系數(shù)，能較大范圍地改變渦流比，盡量少改動(dòng)汽缸蓋，使用可靠。下面介紹幾種可變渦流機(jī)構(gòu)。

(1)導(dǎo)氣屏式

導(dǎo)氣屏是使進(jìn)氣在汽缸內(nèi)繞其軸線旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由進(jìn)氣門(mén)上導(dǎo)氣屏的阻流和導(dǎo)流作用、汽缸壁的導(dǎo)流作用，以及進(jìn)氣道方向與導(dǎo)氣屏方位角密切配合而綜合形成的。

(2)雙層氣道式

在進(jìn)氣道內(nèi)布置有水平隔板，關(guān)閉上層氣道進(jìn)口的板式閥，只有下層氣道開(kāi)啟時(shí)，進(jìn)氣速度提高，產(chǎn)生強(qiáng)渦流。若打開(kāi)板式閥，則恢復(fù)到弱渦流狀態(tài)。這種方式使產(chǎn)生強(qiáng)渦流時(shí)的流量系數(shù)大幅度降低。

(3)副氣道方式

除了原來(lái)強(qiáng)渦流氣道(主氣道)外，還設(shè)置了控制渦流的副氣道，使其上方以一定的角度與主氣道相連。若打開(kāi)副氣道入口處的板式閥，渦流變?nèi)?，同時(shí)進(jìn)氣量也增加，流量系數(shù)提高；若板式閥關(guān)閉，則恢復(fù)到原先無(wú)副氣道的強(qiáng)渦流狀態(tài)，在保證良好流量系數(shù)的前提下獲得了強(qiáng)渦流。

這種結(jié)構(gòu)的另一個(gè)特點(diǎn)是：當(dāng)渦流轉(zhuǎn)換閥位于中間任意位置時(shí)，可獲得相應(yīng)的任意中間渦流比。其缺點(diǎn)是汽缸蓋改變大。

(4)帶渦流控制閥的螺旋氣道

在進(jìn)氣道內(nèi)安裝一個(gè)隔板，從進(jìn)氣道上部凸出到下部，將氣道分為螺旋氣道和旁通氣道。當(dāng)部分負(fù)荷要求較高的渦流比時(shí)，旁通氣道關(guān)閉；當(dāng)全負(fù)荷要求較高的充量系數(shù)時(shí)，旁通氣道打開(kāi)。這種型式氣道的缺點(diǎn)是氣道內(nèi)隔板固定困難，而且由于旁通閥的存在，降低了流量系數(shù)和充量系數(shù)。

(5)可調(diào)渦流式

進(jìn)氣道內(nèi)設(shè)有擋塊，將進(jìn)氣道分為螺旋氣道和直氣道。在兩氣道進(jìn)氣門(mén)處設(shè)置一渦流轉(zhuǎn)換閥，在螺旋氣道里設(shè)置節(jié)流閥。高負(fù)荷時(shí)用直氣道，中負(fù)荷時(shí)用螺旋氣道，低負(fù)荷時(shí)使用節(jié)流閥。 2100433B

在進(jìn)氣過(guò)程中形成的繞汽缸軸線有組織的氣流運(yùn)動(dòng)，稱為進(jìn)氣渦流。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣渦流的產(chǎn)生方法主要有螺旋氣道和切向氣道，這兩種氣道在形成缸內(nèi)進(jìn)氣渦流時(shí)的原理有所不同。

在吸氣過(guò)程中產(chǎn)生進(jìn)氣渦流的常用方法有兩種。

進(jìn)氣渦流切向氣道

一種是氣流沿著氣缸壁切線方向進(jìn)入氣缸并在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中轉(zhuǎn)向兩邊及向下。切向氣道是實(shí)現(xiàn)這種結(jié)果的方法之一，切向氣道的氣道是直的，氣流沿著所希望的切向方向進(jìn)入氣門(mén)的入口，在氣門(mén)頭人口周邊的速度分布，它明顯不均勻。另外，也可用導(dǎo)氣屏的方法產(chǎn)生渦流，在氣門(mén)頭入口周邊的速度分布，由于導(dǎo)氣屏的阻擋，大量的氣流從導(dǎo)氣屏以外的空間流入氣缸，從而產(chǎn)生相對(duì)于氣缸軸線的角動(dòng)量，但是這種方法容易使氣門(mén)變形，加工復(fù)雜，多用于科研用機(jī)型。

進(jìn)氣渦流螺旋氣道

第二種廣泛采用的方法是采用螺旋氣道。在流體進(jìn)入氣缸之前，在進(jìn)氣道內(nèi)圍繞氣門(mén)軸線產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通常用螺旋氣道時(shí)在相同的渦流水平下可獲得更高的流量系數(shù)，因?yàn)闅忾T(mén)開(kāi)啟面積整個(gè)周邊都可充分利用，可得到較高的容積效率。同時(shí)，螺旋氣道對(duì)于鑄造中的位置偏移不甚敏感，這是因?yàn)闇u流的形成主要取決于氣門(mén)上面進(jìn)氣口通道的幾何形狀而不是通道相對(duì)于氣缸軸線的位置。

對(duì)于雙進(jìn)氣道內(nèi)燃機(jī)，進(jìn)氣渦流的大小取決于氣道的形狀、組合形式及布置位置。氣道的形狀可以是螺旋氣道和切向氣道，氣道的組合方式主要有：

①兩個(gè)并聯(lián)螺旋氣道組合；

②串聯(lián)螺旋氣道組合；

③螺旋氣道和切向氣道組合，螺旋氣道在前；

④切向氣道和螺旋氣道組合，螺旋氣道在后；

⑤兩個(gè)切向氣道組合。

兩個(gè)氣門(mén)可以菱形布置，也可以水平布置。

進(jìn)氣渦流其它方式

進(jìn)氣渦流就是在進(jìn)氣過(guò)程中，使充人氣缸的空氣在氣缸內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。產(chǎn)生方法如下：

1．采用導(dǎo)氣屏：在氣門(mén)盤(pán)上安裝導(dǎo)氣屏引導(dǎo)氣流，通過(guò)改變導(dǎo)氣屏包角或位置，即可改變進(jìn)氣渦流強(qiáng)度，并且可調(diào)試到最佳位置。

缺點(diǎn)是進(jìn)氣阻力較大，氣門(mén)必須有防轉(zhuǎn)裝置，容易造成氣門(mén)卡住和偏磨，造成密封不嚴(yán)，制造成本也較高。

這種裝置在早期應(yīng)用較多，常在單缸機(jī)上使用，多用于渦流強(qiáng)度要求較低且轉(zhuǎn)速較低的柴油機(jī)上。

2．采用導(dǎo)氣座：利用氣門(mén)座一側(cè)凹縮來(lái)引導(dǎo)氣流，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，阻力較小，但產(chǎn)生的渦流強(qiáng)度也小，且增加了氣缸蓋氣道的進(jìn)氣阻力，它常用以氣道上進(jìn)氣流動(dòng)的補(bǔ)充措施。

進(jìn)氣遲后角，在進(jìn)氣沖程下止點(diǎn)過(guò)后，活塞又重新上行一段，進(jìn)氣門(mén)才關(guān)閉。

從下止點(diǎn)到進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角稱為進(jìn)氣遲后角（或晚關(guān)角），又稱進(jìn)氣遲閉角或進(jìn)氣滯后角，用β表示，β一般為40°~80°。進(jìn)氣門(mén)晚關(guān)，是因?yàn)榛钊竭_(dá)下止點(diǎn)時(shí)，由于進(jìn)氣阻力的影響，氣缸內(nèi)的壓力仍低于大氣壓，且氣流還有相當(dāng)大的慣性，仍能繼續(xù)進(jìn)氣。下止點(diǎn)過(guò)后，隨著活塞的上行，氣缸內(nèi)壓力逐漸增大，進(jìn)氣氣流速度也逐漸減小，至流速等于零時(shí)，進(jìn)氣門(mén)便關(guān)閉的β角最適宜。若β過(guò)大便會(huì)將進(jìn)入氣缸內(nèi)的氣體重新又壓回進(jìn)氣管。2100433B

當(dāng)進(jìn)氣行程開(kāi)始時(shí)，進(jìn)氣閥逐漸開(kāi)啟活塞必須同步逐漸往下止點(diǎn)移動(dòng)

當(dāng)進(jìn)氣閥開(kāi)啟到最大時(shí)（也就是下壓到最深處，這就是凸輪軸的揚(yáng)程），活塞必須移動(dòng)到下止點(diǎn)并且在活塞下移的過(guò)程中，同時(shí)就由先前燃燒后汽缸真空（負(fù)壓）吸入新鮮的混合油氣（空氣與燃油的混合）

到此完成進(jìn)氣行程

先把纖維條經(jīng)刺輥開(kāi)松呈單根纖維狀態(tài)，然后靠氣流的作用使纖維通過(guò)切向通道進(jìn)入渦流管內(nèi)，形成纖維流。在渦流管的適當(dāng)位置沿圓周切向開(kāi)若干進(jìn)氣孔,渦流管的尾端經(jīng)總風(fēng)管和過(guò)濾網(wǎng)接抽風(fēng)機(jī),使渦流管內(nèi)始終保持負(fù)壓。外界空氣沿切向進(jìn)氣孔高速進(jìn)入渦流管內(nèi)。由于氣流與渦流管的中心軸線有一動(dòng)量矩，遂在管內(nèi)形成渦流。也可以用一組螺旋形導(dǎo)向片，使空氣沿導(dǎo)向片引入管內(nèi)而形成渦流。高速回轉(zhuǎn)的渦流沿渦流管的軸向運(yùn)動(dòng)，與切向通道送入的纖維流同向回轉(zhuǎn)，達(dá)到軸向平衡。在平衡位置上渦流推動(dòng)自由端紗尾作環(huán)形高速回轉(zhuǎn)。不斷喂入的纖維與運(yùn)動(dòng)著的紗尾相遇而凝聚到紗尾上。自由端在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，紗條即被加上拈度。渦流紡加拈的效率較低，約30～50%左右，紗愈粗，自由端回轉(zhuǎn)的摩擦阻力和加拈的抗扭力矩愈大，加拈效率愈低。根據(jù)流體力學(xué)原理，在平面旋渦中渦核中心處的壓力最低。因此，生頭時(shí)種子紗可以很容易地被從中心孔吸入渦流管內(nèi)并開(kāi)始紡紗。紡成的紗由一對(duì)輸出羅拉積極輸出，經(jīng)槽筒或往復(fù)導(dǎo)紗器繞成筒子紗。為了減少回花、提高制成率，在渦流紡紗機(jī)上設(shè)有斷頭后喂入自停裝置。