CN104047780A - 一种高增压发动机进气道及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高增压发动机进气道及设计方法，属于内燃机进气系统技术领域。其特征在于：所述进气道包括进气道渐缩段、进气道喉口和进气道渐扩段。所述进气道喉口处截面积A₀与进气道出口面积A₂之比在0.75~0.85之间；所述进气道喉口与进气道出口之间距离L₁与进气道总长度L之比在0.4~0.6之间。本设计方法的创新之处在于：克服了现有进气压力不高发动机进气道设计方法所设计的进气道流通能力不足的问题，设计出满足高增压工作条件要求的发动机进气道，提高了高增压进气道的流通能力，增加了进气终了气缸内的压力，从而增加了进气量，对优化燃烧，提升高增压发动机性能有积极作用。

Description

一种高增压发动机进气道及设计方法

技术领域

本发明是一种高增压发动机进气道及设计方法，属于发动机进气系统技术领域。

背景技术

增压技术作为一种节能减排的有效手段，由于其良好的可移植性，已经被广泛的应用到各类发动机中。而随着高效率涡流增压器的发展和发动机进气压比的不断提高，进气增压的程度越来越高。可以预见，在不远的将来高增压甚至是超高增压的发动机将会越来越多。

发动机进气压力的不断提高使得针对目前低压进气所设计的发动机进气道难以较好地发挥其功能，从而制约发动机性能的提升。因此发动机进气道设计也要随着压力的提升进行改进。

传统的发动机进气道均是基于进气压力不高而进行设计，随着增压技术的提高和广泛应用，基于传统方法设计的进气道很难在高增压甚至是超高增压的发动机中较好地发挥作用。因此，需要根据新的进气条件和气体的热力学性质设计满足高增压发动机性能要求的进气道。

发明内容

针对高增压甚至是超高增压发动机，为了达到理想的气道流通能力和增加进气充量，发明一种高增压发动机进气道及设计方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种高增压发动机进气道结构包括进气道渐缩段、进气道喉口和进气道渐扩段；所述的进气道的渐缩和渐扩为三维空间的收缩和扩张。具体是通过进气道横截面的形状变化来实现对气道收缩和扩张的控制；所述的进气道喉口截面积A₀与进气道出口截面积A₂之比在0.75～0.85之间；所述进气道喉口和出口之间距离L₁与进气道总长度L之比在0.4～0.6之间。

上述的高增压发动机进气道的设计方法，其特征在于：所述的高增压发动机进气道的设计方法包括以下步骤：

1)根据增压器压比和发动机运行工况确定进气道入口条件，包括温度T₁、压力P₁以及速度c₁，确定进气道喉口截面积A₀与进气道出口截面积A₂之比的步骤包括：

1.1)依据进气道入口处气体状态参数(以下标1表示)确定气体滞止参数(以下标0表示)。

滞止参数计算公式：

$\left.\begin{array}{c}{T}_0=T_1+\frac{{c_1}^2}{{2c}_p}\\ p_0=p_1{\left(\frac{T_0}{T_1}\right)}^{\frac{k}{k-1}}\\ v_0=\frac{R_g{T}_0}{P_0}\end{array}\right\}---\left(1\right)$

其中T₁、p₁、c₁分别表示进气道入口处气体的温度、压力和速度；c_p为空气的定压比热容，k为空气绝热指数，R_g为空气的气体常数；T₀、p₀、v₀分别表示滞止状态时的气体温度、压力和比体积。

1.2)根据气道内气体临界压比ν_cr和滞止参数确定气体的临界参数(以下标cr表示)；

$\left.\begin{array}{c}{p}_{\mathrm{cr}}=v_{\mathrm{cr}}.\·p_0\\ c_{\mathrm{cr}}=\sqrt{2\frac{k.P_0.v_0}{k-1}[1-{\left(\frac{P_{\mathrm{cr}}}{P_0}\right)}^{\frac{k-1}{k}}}\\ v_{\mathrm{cr}}=v_0{\left(\frac{p_0}{p_{\mathrm{cr}}}\right)}^{\frac{1}{k}}\end{array}\right\}---\left(2\right)$

其中：p_cr表示气体临界状态时的压力，v_cr表示气体临界状态时的比体积，c_cr表示气体临界状态时的速度。

1.3)依据进气过程中气缸内压力p₂和滞止参数确定气道出口流速c₂和比体积参数v₂；

$\left.\begin{array}{c}{c}_2=\sqrt{2\frac{{\mathrm{kP}}_0.v_0}{k-1}[1-{\left(\frac{P_2}{P_0}\right)}^{\frac{k-1}{k}}}\\ v_2=v_0{\left(\frac{p_0}{p_2}\right)}^{\frac{1}{k}}\end{array}\right\}---\left(3\right)$

根据气道出口流速c₂、出口处比体积v₂、临界流速C_cr、临界比体积v_cr和气道出口截面积A₂确定气道喉口面积A₀；

$A_0=A_{\mathrm{cr}}=\frac{C_2.v_{\mathrm{cr}}}{C_{\mathrm{cr}}.v_2}\·A_2---\left(4\right)$

其中A_cr为气体临界状态时的截面积。

2)确定进气道出口和喉口之间距离L₁与进气道长度L之比的方法为：

2.1)根据缸盖的结构布置确定合适的扩张顶锥角和进气道长度L；

2.2)依据扩张顶锥角进气道长度L、气道喉口等效直径d₀和气道出口等效直径d₂确定进气道喉口和出口之间距离L₁与进气道长度L之比，L₁的计算公式为：

如图1所示，所述高增压进气道的设计方法利用气体动力学原理，考虑了进气过程中缸内压力变化的影响。在进气初期，气缸内压力P_b小于设计时出口处压力P₂，气流通过进气道渐缩段、喉口和渐扩段，气体不断膨胀，速度也不断增加。但气流在进气道内不能完全膨胀到缸内背压P_b，在流出进气道后将在缸内自由膨胀。在进气中期，当气缸内压力P_b达到设计条件下的压力P₂时，气流在所述的进气道渐缩段速度增加，在喉口处气流速度达到当地音速，在进气道渐扩段气流被进一步加速，气流在气门座圈处以超音速的速度射入发动机气缸。在进气后期，气缸内压力逐渐升高，当缸内背压P_b大于设计时出口处压力P₂时，根据气体动力学原理，气体将在进气道内过度膨胀到状态A，然后在该截面产生激波，气体被突击压缩，气体压力急剧升高，气流沿着虚线AB运行；随着进气过程的进行，A点逐渐向0点移动，气流沿着曲线0C运行，从而使缸内压力增加，进气量增加。

与现有技术相比，本发明的主要区别是：传统的发动机进气道设计是基于发动机进气压力不高为条件进行设计。而随着高效率涡轮增压器的发展和发动机进气压比的不断提高，进气增压的程度越来越高。针对高增压甚至是超高增压进气条件，如果还是按照传统的进气道设计方法，就会导致所设计的进气道流通能力较差，甚至不能较好地组织缸内进气。本发明的设计方法利用气体在高增压情况下的流动特性，所设计的进气道能提高进气道的流通能力，增加进气量，对优化燃烧，提升发动机性能有积极作用。

本发明的积极效果是：

克服了高增压技术应用于发动机时，现有设计的进气道流通能力不足的问题。使得进气道能与高增压技术相匹配，共同有利于发动机性能的提升。此外，进气道流通能力的提升可以减小泵气损失，同时，高速气流也便于组织缸内进气，对优化燃烧，提升燃烧效率有积极作用。

附图说明

图1是缸内压力变化示意图。

图2是本发明的一种高增压发动机进气道平面示意图。

图3是本发明的一种高增压发动机进气道及设计方法尺寸示意图。

图4是本发明的一种高增压发动机进气道三维空间示意图。

具体实施方式

下面以某型号高增压柴油机的进气道设计为例说明本发明的一个实际设计例子。

如图2、3是该高增压发动机进气道示意图。所述进气道是包括进气道渐缩段2和渐扩段4，渐缩段2到渐扩段4过渡部位为进气道喉口3。

图3所示是本发明的一种高增压发动机进气道及设计方法尺寸示意图。

1)根据增压器特性数据确定进气道入口处气体温度T₁为358.15K，压力P₁为3.5bar，气体流速C₁为80m/s。进气道出口设计背压p₂选取为2.9bar。

根据气缸布置，该进气道出口直径d₂＝33.2mm²,因此进气道出口截面积A₂为789.436nm²；

空气假定为理想气体，c_p取1.004kJ/(kg.K)，k为1.4，R_g为287J/(kg.K)；空气的临界压力比ν_cr为0.528。

将上述值代入公式(1)(2)(3)(4)求得气道喉口面积A₀为642.51mm²,因此进气道喉口截面积A₀与进气道出口面积A₂之比为0.81。

2)根据缸盖的结构布置确定的扩张顶锥角为6°，进气道总长度L为100mm，进气道出口直径d₂＝33.2mm²；根据气道喉口截面积A₀＝642.51mm，其等效直径d₀为28.6mm,将上述值代入L₁的计算公式(5)

求得进气道出口和喉口之间距离L₁为44.14mm，因此进气道出口和喉口之间距离L₁与进气道总长度L之比为0.44。

在所述的高增压发动机工况下，进气道内的来流在气道入口处进入渐缩段2，随着气道形状的收缩，在进气道喉口3处气流达到声速。在渐扩段4，气流在气道内不断加速。在进气初期，气流以超声速状态通过气门座圈6，射入发动机气缸8；在进气中后期，气流在进气道内存在突击压缩过程，气体压力升高，从而使进气终了的压力升高，进气量增加。

所述的进气道为两气门发动机的唯一进气道，或者为多气门发动机的其中之一进气道。

本发明进气道设计的关键是通过控制进气道横截面形状，使得增压后的气体在气道内得到充分膨胀，然后突击压缩，压力升高，从而使得进气终了缸内压力升高。

图4是本发明实施例中的高增压发动机进气道三维空间示意图。

上面对本发明进行了描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种高增压发动机进气道，其特征在于：所述进气道包括进气道渐缩段、进气道喉口和进气道渐扩段；所述进气道喉口截面积A₀与进气道出口截面积A₂之比在0.75～0.85之间；所述进气道喉口和出口之间距离L₁与进气道总长度L之比在0.4～0.6之间。

2.根据权利要求1所述的高增压发动机进气道，其特征在于：所述进气道为两气门发动机的唯一进气道，或者为多气门发动机的其中之一进气道。

3.根据权利要求1所述的高增压发动机进气道的设计方法，其特征在于：所述的高增压发动机进气道的设计方法包括以下步骤：

1)根据增压器压比和发动机运行工况确定进气道入口条件，包括温度T₁、压力P₁以及速度c₁，确定进气道喉口截面积A₀与进气道出口截面积A₂之比的步骤包括：

1.1)依据进气道入口处气体状态参数确定气体滞止参数；

1.2)根据气道内气体临界压比ν_cr和滞止参数确定气体的临界参数；

1.3)依据进气过程中气缸内压力p₂和滞止参数确定气道出口流速c₂和比体积参数v₂；

1.4)根据气道出口流速c₂、出口处比体积v₂、临界流速C_cr、临界比体积v_cr和气道出口截面积A₂确定气道喉口面积A₀；

2)确定进气道出口和喉口之间距离L₁与进气道总长度L之比的方法为：

2.1)根据缸盖的结构布置确定合适的扩张顶锥角和进气道总长度L；

2.2)依据扩张顶锥角进气道总长度L、气道喉口等效直径d₀和气道出口等效直径d₂确定进气道喉口和出口之间距离L₁与进气道总长度L之比。