CN102200069A - 四气门柴油机气缸盖正向排气道模型设计方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四气门柴油机气缸盖正向排气道模型设计方法和装置，该方法包括如下步骤：排气道轮廓线的草图建立；通过该草图生成排气道各曲面；对各曲面进行修剪缝合，生成正向参数化排气道实体模型；将生成的长、短排气道模型间缝隙进行填补，获得符合气道参数目标的排气道模型；通过CFD分析和计算，获得排气道理论上的流量系数和涡流比，并与吹气实验中获得的实际的流量系数和涡流比进行比对，如吻合，可对排气道模型进行最终定型。该装置包括与方法对应的功能模块组成。本发明采用正向排气道模型设计方法和装置，相对于逆向气道而言，正向参数化设计气道提高了气道设计效率，缩短了缸盖设计周期，并且有效的提供一致性良好的柴油机气道模型。

Description

四气门柴油机气缸盖正向排气道模型设计方法及装置

技术领域

本发明涉及一种模型设计方法及装置，特别涉及一种柴油机气缸盖正向排气道模型设计方法及装置。

背景技术

现有单缸四气门柴油机排气道多为切向式，详见图1。图1中序号1为螺旋气道，序号2为切向气道，序号3为气门座圈底孔。螺旋气道外壁为绕气门中心呈螺旋状旋转走向；而切向气道外壁则是沿与气门座圈底孔外圆相切走向。目前国内外多数采用逆向进行气道设计(非参数化设计)，非参数化带来的后果就是柴油机缸盖设计必须配合气道设计进行缸盖整体布局(即气道尺寸、位置设计好后再进行缸盖的整体布局)，大大增加了缸盖结构设计的局限性，容易造成缸盖内的水套芯过薄，鼻梁区产生烧结及出现裂纹等缺陷。由于逆向气道是非参模型，所以得到逆向的模型即定型，不能与缸盖布局进行合理调整，而且气道设计效率较低，缸盖设计周期长。

发明内容

本发明是为了克服上述现有技术中缺陷，采用了正向排气道模型设计方法和装置，相对于逆向气道而言，正向参数化设计气道提高了气道设计效率，缩短了缸盖设计周期，并且有效的提供一致性良好的柴油机气道模型。

本发明的四气门柴油机气缸盖正向排气道模型设计方法，包括如下步骤：获取设于气缸盖侧面的排气入口尺寸以及排气道周边与其相邻部件的边界条件；根据所述排气入口尺寸和边界条件建立边界条件尺寸位置草图以及排气口尺寸位置草图；以气缸中心和排气口中心建立排气道顶部、底部轮廓线平面，以该平面为基准建立排气道顶部尺寸位置和底部尺寸位置草图；以气缸盖底面为基准建立排气道外壁；分别将所述排气道外壁的轮廓线，排气道顶部、底部轮廓线生成曲面，并分别对排气道各部位曲面进行造型；通过对各造型曲面的修剪、缝合，生成正向参数化排气道实体模型。

其中，排气道包括长、短排气道，长、短排气道各生成实体模型后，将所述两个实体模型间的缝隙进行填补，从而获得符合气道参数目标的气道模型。

其中，可以在生成符合气道参数目标的气道模型后，对所述模型进行CFD分析和计算。

其中，CFD分析和计算具体包括：确定CFD模型，即将排气道模型、气门导杆模型以及稳压箱模型组合在一起形成CFD模型；确定CFD计算的边界条件，所述CFD计算的边界条件具体包括入口总压、出口静压、理想空气计算流体以及发动机的各个参数；设定试验条件，模拟发动机工况，获得排气道理论上的流量系数和涡流比。

其中，可在CFD分析和计算的步骤之后，将所述排气道模型制作成气道芯盒并进行吹气实验，即利用排气道模型制作气道芯盒实物，在排气道试验台架上模拟发动机工况，获得排气道实际流量系数和涡流比数值。

其中，可将所述排气道实际流量系数和涡流比数值与理论上的流量系数和涡流比进行比对判断是否吻合；若是，则完成正向建模排气道模型的最终定型；若否，则对所述排气道模型进行修改。

其中，获取排气道周边与其相邻部件的边界条件具体为：依据先后建立的气缸盖底面、气缸盖顶面，建立所述相邻部件的边界条件；所述边界条件具体包括：螺栓尺寸位置、四气门尺寸位置以及喷油器尺寸位置。

其中，建立排气口尺寸位置草图具体为：建立排气口尺寸位置平面，并在此平面内建立排气口尺寸位置平面草图。

其中，排气道上的任意线条与边界条件上涉及的线条相交尺寸小于等于0.5mm。

本发明的四气门柴油机气缸盖正向排气道模型设计装置，包括：草图建立模块，用于建立边界条件尺寸位置草图以及排气口尺寸位置草图，并生成排气道外壁轮廓；建模功能模块，用于根据所述草图建立模块建立的轮廓线生成排气道模型曲面；曲面修剪、缝合模块，用于对建模功能模块生成的曲面进行修剪，并对排气道外形各曲面进行缝合；排气道实体模型生成模块，用于将修剪、缝合后的曲面生成正向参数化排气道实体模型。

其中，还可以包括：缝隙填补模块，用于在长、短排气道各生成实体模型后，将两个实体模型间缝隙进行填补，从而获得符合气道参数目标的排气道模型；CFD分析和计算模块，用于在生成符合气道参数目标的气道模型后，对所述模型进行CFD分析和计算，获得排气道理论上的流量系数和涡流比；参数比对判断模块，用于将获取的排气道理论上的流量系数和涡流比与利用排气道模型制作气道芯盒实物获得的排气道实际流量系数和涡流比数值进行比对，判断是否吻合，若是，则完成正向建模排气道模型的最终定型；若否，则对所述排气道模型进行修改直至符合吻合条件为止。

与现有技术相比，本发明的四气门柴油机正向排气道合理利用缸盖整体布局的边界条件，采用各功能模块装置进行正向建模，模型参数化，使设计者能够对气道形状、走向以及气道外壁进行修整，对气道通道面积进行合理调节，能够实时对缸盖水套进行结构局部调整。

附图说明

图1是本发明单缸四气门柴油机气缸盖正向排气道所涉及到切向与螺旋示意图；

图2是本发明单缸四气门柴油机气缸盖的俯视图边界条件俯剖视图(包括螺栓位置尺寸、气门位置尺寸以及喷油器位置尺寸)；

图3是本发明单缸四气门柴油机气缸盖的局部剖视图；

图4是本发明单缸四气门柴油机气缸盖气缸中心剖视图；

图5是本发明单缸四气门柴油机气缸盖正向排气道建模过程示意图(其中图5-1为排气道顶部剖视图；图5-2为排气道一部分边界条件主视图；图5-3为排气道另一部分边界条件前视图；图5-4为排气道底部剖视图)；

图6是本发明单缸四气门柴油机气缸盖正向排气道模型设计方法流程图；

图7是本发明单缸四气门柴油机气缸盖正向排气道模型设计装置模块示意图。

结合附图在其上标记以下附图标记：

1-螺旋气道；2-切向气道；3-气门座圈底孔尺寸位置；4-螺栓尺寸位置；5-四气门尺寸位置；6-喷油器座尺寸位置；7-排气口；8-气缸盖；9-长排气道气门；10-短排气道气门；11-鼻梁区尺寸位置；12-鼻梁区结构；13-双排气道门座圈；14-长排气道型腔；15-短排气道型腔；16-正向排气道外壁尺寸位置；17-排气道顶部尺寸位置；18-排气道底部尺寸位置；19-气缸盖底面；20-气缸盖水腔底面；21-气缸盖顶面；22-气缸盖水腔顶面；23-排气道外壁；24-排气道顶部、底部轮廓线平面。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

方法实施例

参照图1至图5，本发明的单缸四气门柴油机正向排气道，包括气缸盖8和排气道，即长排气道型腔14、短排气道型腔15。本发明单缸四气门柴油机正向排气道利用边界条件即螺栓尺寸位置4、四气门尺寸位置5、喷油器座尺寸位置6和排气口7进行正向建模。其中，图5-1是排气道顶部剖视图，标出排气道顶部尺寸位置17；图5-2是排气道边界条件螺栓尺寸位置4、四气门尺寸位置5、喷油器座尺寸位置6主视图；图5-3是排气道边界条件喷油器座尺寸位置6、排气口7、气缸盖底面19、气缸盖水腔底面20、气缸盖顶面21、气缸盖水腔顶面22、排气道外壁23的前视图；图5-4是排气道底部剖视图，标出排气道底部尺寸位置18。

如图6所示，本发明的单缸四气门柴油机正向排气道模型设计方法具体步骤如下(本发明的正向排气道模型设计方法以UG5.0通用软件为依托)：

步骤101，通过草图建立模块，建立边界条件尺寸位置草图和排气口尺寸位置草图。

具体为：

步骤1011，利用先后建立的气缸盖底面19、气缸盖顶面21，使用草图功能模块建立边界条件螺栓尺寸位置4、四气门尺寸位置5和喷油器尺寸位置6草图；

步骤1012，建立排气口7尺寸位置平面，并在此平面内通过草图功能模块建立排气口尺寸位置7草图；

步骤1013，以气缸中心和排气口中心建立排气道顶部、底部轮廓线平面24，以该平面24为基准通过草图功能模块建立排气道顶部尺寸位置17和底部尺寸位置18草图；

步骤1014，以气缸盖底面19为基准建立正向排气道外壁尺寸位置16。

在以上过程中需要注意的是排气道所有线条最大轮廓不得与边界条件螺栓尺寸位置4、四气门尺寸位置5和喷油器座尺寸位置6产生过大交集，即相交尺寸不能超过0.5mm。

步骤102，根据上述草图建立模块建立的轮廓线生成排气道模型曲面。

具体为：建立好上述这些草图以后，通过建模功能模块，分别将排气道外壁轮廓线(即正向排气道外壁尺寸位置16)、排气道上、下轮廓线(即排气道顶部尺寸位置17及排气道底部尺寸位置18)生成曲面。这其中排气道外壁轮廓线和排气道上轮廓线生成曲面是通过扫掠功能造型，排气道下轮廓线生成曲面则是利用旋转功能得到一个旋转片体，因为气道模型曲面各异，故造型方法有所不同，要形成气道实体(曲面属于片体)，必须分别对气道各部位曲面进行造型。

步骤103，通过曲面修剪、缝合模块，对建模功能模块生成的曲面进行修剪，并对排气道外形各曲面进行缝合。

具体为：利用修剪子模块对各曲面进行修剪，利用排气口尺寸位置7生成排气口片体，同时与其他面进行修剪；最后利用缝合子模块将排气道外形各曲面缝合。

步骤104，通过排气道实体模型生成模块，生成正向参数化排气道实体模型。

步骤105，长、短排气道各生成实体模型后，通过缝隙填补模块利用其补片功能将两个实体模型间缝隙进行填补，最后获得符合气道参数目标的气道模型。

步骤106，在生成符合气道参数目标的气道模型后，通过CFD分析和计算模块，对排气道模型进行CFD分析和计算，获得排气道理论上的流量系数和涡流比。

具体为：CFD稳态计算是通过计算相同进出口压差下各气门升程下的流量及动量矩流率，然后通过转换程序计算得出各种评价方法的流量系数和涡流比，从而对气道性能作评价。CFD计算首先要确定CFD模型和边界条件。CFD模型是指将排气道模型、气门导杆模型及稳压箱模型利用专业的CFD分析软件组合在一起形成的模型。边界条件是指入口总压、出口静压、理想空气计算流体及发动机各参数。CFD分析计算即是设定无限接近试验条件，模拟发动机工况，从而获得排气道理论上的流量系数和涡流比。

步骤107，将正向排气道模型做成气道芯盒进行吹气试验。此过程是利用排气道做成的气道芯盒实物，在气道试验台架上模拟发动机工况，获得气道实际流量系数和涡流比数值。

步骤108，通过参数比对判断模块，将CFD分析计算和吹气试验获得的流量系数和涡流比数据进行比对，如果气道芯盒吹气试验数据与CFD分析计算数据吻合，则进入步骤109；否则返回步骤101对气道模型进行修改。

步骤109，经CFD分析计算和吹气试验对排气道模型调整后，最后完成正向建模排气道模型的最终定型。

定型后的排气道在气缸盖8的侧面设有排气口7，在气缸盖8上设有短排气道气门10和长排气道气门9，并分别连接着各自的短排气道型腔15和长排气道型腔14。短排气道型腔15和长排气道型腔14的底端分别安装在设置于气缸盖8底部的双排气道门座圈13上，距排气口7的近道为短排气道型腔15，远道为长排气道型腔14。

由于采用正向建模方法，气道模型实现参数化，可以通过曲面功能设计合理的在两个进气门(短排气道气门10、长排气道气门9)之间的呈宽度、高度合适的鼻梁区结构12。

这种正向气道模型的优点使得四气门缸盖结构更为紧凑，逆向气道由于其非参数化，给水套设计带来困难，致使鼻梁区12太窄，冷却困难。而采用本发明正向排气道，可以与缸盖整体布局、水套同时进行结构设计，这样既能保证气道参数，又可大大的改善冷却水腔的结构尺寸，缸盖的冷却效果更好。

装置实施例

下面对装置实施例进行详细介绍：

如图7所示，本发明的四气门柴油机气缸盖正向排气道模型设计装置，具体包括：草图建立模块201，用于建立边界条件尺寸位置草图以及排气口尺寸位置草图，并生成排气道外壁轮廓；建模功能模块202，用于根据所述草图建立模块建立的轮廓线生成排气道模型曲面；曲面修剪、缝合模块203，用于对建模功能模块生成的曲面进行修剪，并对排气道外形各曲面进行缝合；排气道实体模型生成模块204，用于将修剪、缝合后的曲面生成正向参数化排气道实体模型；缝隙填补模块205，用于在长、短排气道各生成实体模型后，将两个实体模型间缝隙进行填补，从而获得符合气道参数目标的排气道模型；CFD分析和计算模块206，用于在生成符合气道参数目标的气道模型后，对所述模型进行CFD分析和计算，获得排气道理论上的流量系数和涡流比；参数比对判断模块207，用于将获取的排气道理论上的流量系数和涡流比与利用排气道模型制作气道芯盒实物获得的排气道实际流量系数和涡流比数值进行比对，判断是否吻合，若是，则完成正向建模排气道模型的最终定型；若否，则对所述排气道模型进行修改直至符合吻合条件为止。

通过上述虚拟化的装置中的模块进行前述正向排气道模型的设计，使得四气门缸盖结构更为紧凑。采用本发明设计方法制作出的正向排气道，可以与缸盖整体布局、水套同时进行结构设计，这样既能保证气道参数，又可大大的改善冷却水腔的结构尺寸，缸盖的冷却效果更好。

以上公开的仅为本发明的一个方法和装置的具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种四气门柴油机气缸盖正向排气道模型设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取设于气缸盖侧面的排气入口尺寸以及排气道周边与其相邻部件的边界条件；

根据所述排气入口尺寸和边界条件建立边界条件尺寸位置草图以及排气口尺寸位置草图；

以气缸中心和排气口中心建立排气道顶部、底部轮廓线平面，以该平面为基准建立排气道顶部尺寸位置和底部尺寸位置草图；

以气缸盖底面为基准建立排气道外壁；

分别将所述排气道外壁的轮廓线，排气道顶部、底部轮廓线生成曲面，并分别对排气道各部位曲面进行造型；

通过对各造型曲面的修剪、缝合，生成正向参数化排气道实体模型。

2.根据权利要求1所述的四气门柴油机气缸盖正向排气道模型设计方法，其特征在于，所述排气道包括长、短排气道，长、短排气道各生成实体模型后，将所述两个实体模型间的缝隙进行填补，从而获得符合气道参数目标的气道模型。

3.根据权利要求2所述的四气门柴油机气缸盖正向排气道模型设计方法，其特征在于，在生成符合气道参数目标的气道模型后，对所述模型进行CFD分析和计算。

4.根据权利要求3所述的四气门柴油机气缸盖正向排气道模型设计方法，其特征在于，所述CFD分析和计算具体包括：

确定CFD模型，即将排气道模型、气门导杆模型以及稳压箱模型组合在一起形成CFD模型；

确定CFD计算的边界条件，所述CFD计算的边界条件具体包括入口总压、出口静压、理想空气计算流体以及发动机的各个参数；

设定试验条件，模拟发动机工况，获得排气道理论上的流量系数和涡流比。

5.根据权利要求4所述的四气门柴油机气缸盖正向排气道模型设计方法，其特征在于，在CFD分析和计算的步骤之后，将所述排气道模型制作成气道芯盒并进行吹气实验，即利用排气道模型制作气道芯盒实物，在排气道试验台架上模拟发动机工况，获得排气道实际流量系数和涡流比数值。

6.根据权利要求5所述的四气门柴油机气缸盖正向排气道模型设计方法，其特征在于，

将所述排气道实际流量系数和涡流比数值与理论上的流量系数和涡流比进行比对判断是否吻合；

若是，则完成正向建模排气道模型的最终定型；

若否，则对所述排气道模型进行修改。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的四气门柴油机气缸盖正向排气道模型设计方法，其特征在于，所述获取排气道周边与其相邻部件的边界条件具体为：依据先后建立的气缸盖底面、气缸盖顶面，建立所述相邻部件的边界条件；所述边界条件具体包括：螺栓尺寸位置、四气门尺寸位置以及喷油器尺寸位置。

8.根据权利要求1至6中任意一项所述的四气门柴油机气缸盖正向排气道模型设计方法，其特征在于，所述建立排气口尺寸位置草图具体为：建立排气口尺寸位置平面，并在此平面内建立排气口尺寸位置平面草图。

9.根据权利要求7所述的四气门柴油机气缸盖正向排气道模型设计方法，其特征在于，所述排气道上的任意线条与边界条件上涉及的线条相交尺寸小于等于0.5mm。

10.一种四气门柴油机气缸盖正向排气道模型设计装置，其特征在于，包括：

草图建立模块，用于建立边界条件尺寸位置草图以及排气口尺寸位置草图，并生成排气道外壁轮廓；

建模功能模块，用于根据所述草图建立模块建立的轮廓线生成排气道模型曲面；

曲面修剪、缝合模块，用于对建模功能模块生成的曲面进行修剪，并对排气道外形各曲面进行缝合；

排气道实体模型生成模块，用于将修剪、缝合后的曲面生成正向参数化排气道实体模型。

11.根据权利要求10所述的四气门柴油机气缸盖正向排气道模型设计装置，其特征在于，还包括：

缝隙填补模块，用于在长、短排气道各生成实体模型后，将两个实体模型间缝隙进行填补，从而获得符合气道参数目标的排气道模型。

12.根据权利要求11所述的四气门柴油机气缸盖正向排气道模型设计装置，其特征在于，还包括：

CFD分析和计算模块，用于在生成符合气道参数目标的气道模型后，对所述模型进行CFD分析和计算，获得排气道理论上的流量系数和涡流比。

13.根据权利要求12所述的四气门柴油机气缸盖正向排气道模型设计装置，其特征在于，还包括：

参数比对判断模块，用于将获取的排气道理论上的流量系数和涡流比与利用排气道模型制作气道芯盒实物获得的排气道实际流量系数和涡流比数值进行比对，判断是否吻合，若是，则完成正向建模排气道模型的最终定型；若否，则对所述排气道模型进行修改直至符合吻合条件为止。

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