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气道试验台变压差稳流测试技术

成果与项目的背景及主要用途：内燃机是应用范围最广的动力装置，消耗我国石油总量的 60%，并且是城市大气主要污染源，内燃机节能减排是国家的重大需要。燃烧技术是内燃机的核心技术，包含“油”和“气”两大要素，气道作为内燃机的“咽喉”，是控制“气”的关键，良好的气道性能是实现内燃机节能减排的前提。长期以来，气道开发和生产质量在线控制始终是世界难题。由于气道性能的优劣直接影响着内燃机的动力性、经济性以及其他特性，气道的测试十分重要。欧美传统气道测试采用定压差方法，测试中需反复调节气道压差至定值，单次测试超过 15 分钟，而内燃机生产节拍约为 5 分钟/台，因此仅能用于实验室研发，根本无法满足生产线在线检测的效率要求。本发明使气道测试效率提高5倍以上，攻克了气道生产质量在线控制的世界难题，应用于玉柴、潍柴等企业多条生产线，高排放标准内燃机合格率大幅提升。技术原理与工艺流程简介：内燃机气道及缸内流动属于复杂壁面条件下的剪切湍流，同时伴随有活塞、气门等周期性运动边界，整体流动特性直接受近壁流动影响。研究发现，随着外流场雷诺数的增大，达到充分发展湍流，近壁雷诺应力增大，动量交换加剧，粘性底层厚度明显变薄，壁面阻力系数趋于恒定，流量系数、涡流/滚流强度等无量纲参数不再随雷诺数发生变化。研究进一步发现，进气过程中若对应最低气门升程的雷诺数达到其临界值，则在相同条件下随着气门升程的增大，气流将始终保持充分发展湍流状态，即后续气门升程下雷诺数将始终高于相应气门升程的临界值。基于以上发现，提出了变压差气道测试方法：测试过程以气流达到充分发展湍流状态为控制条件，即保证雷诺数始终高于临界值，仅需设定最低气门升程的气道压差，从而免去了后续过程中压差的反复调节。技术水平及专利与获奖情况： 2012 年，气道试验台变压差稳流测试技术通过中国机械工业联合会组织的专家鉴定，以郭孔辉院士为主任的鉴定委员会一致认为“该项目取得了重大的理论突破和技术创新，拥有多项自主知识产权，综合性能达到国际同类产品的领先水平，具有重大的综合效益，应用前景广泛”。专利情况：目前发明专利授权 7 项，其中核心发明专利 “快速检测内燃机气道流动性能参数的试验装置”于 2012 年获第十四届中国专利优秀奖，核心发明专利“用于气体测量的高灵敏涡流动量计” 2014 获第十六届中国专利优秀奖。获奖情况：2012 年获中国机械工业科学技术一等奖。2013 年获天津市技术发明一等奖。应用前景分析及效益预测：本项目已广泛应用于内燃机企业如潍柴、玉柴，汽车企业如东风、上汽，摩托车企业如隆鑫、建设，科研院所如中汽研、七一一所等 56 家单位，气道试验台累计销售 60 余台套（国内仅 4 台套进口产品），国内市场占有率近 95%，从根本上改变了国内企业长期依赖国外气道技术的局面，十年来协助企业攀登了国一至国五排放法规的 5 个技术台阶，有力地推进了内燃机节能减排和行业技术进步，国际同行始终试图打破本项目的垄断地位未果。随着汽车、内燃机工业的飞速发展以及排放法规的不断严格，企业自主开发气道并在线检测气道将成为必然，本成果应用前景十分广阔。应用领域：内燃机测试及研究技术转化条件（包括：原料、设备、厂房面积的要求及投资规模）厂房面积 500 平方米，投资规模 3000 万合作方式及条件：技术合作或专利转让，转让费 2000 万元人民币

天津大学 2021-04-11