CN106295080A - 一种内燃机直气道参数优化设计方法 - Google Patents

一种内燃机直气道参数优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种内燃机直气道参数优化设计方法，该方法采用CAD软件生成不带气门凸台的气道模型，称为中间模型；然后加入气门凸台，形成母版模型；获得气道出口截面积S3后，先利用所述中间模型，建立不同S1/S3的第一气道3D数模，继而生成稳流气道数值模型，用于确定S1/S3的最佳值；然后将S1/S3最佳值代入母版模型，采用类似方法获得S2/S3的最佳值。采用本发明能够得到流动阻力损失较小的直气道，以满足对循环进气量的要求。

Description

一种内燃机直气道参数优化设计方法
技术领域
本发明属于内燃机设计领域，具体涉及一种内燃机直气道参数优化设计方法
背景技术
在内燃机中，进排气系统、燃料供给系统和燃烧室形状三者的相互匹配是决定燃烧过程优劣的关键。其中每循环进入气缸的新鲜充量和气流的运动强度对内燃机的动力、经济及排放性能有重要的影响。所以如何设计一种气道，使其既能够组织合适强度的气流运动，又具有较小的流动阻力损失，是内燃机设计的重要任务。
把气道设计成能在流通能力和所需缸内气流运动特性之间达到最佳平衡，是气道研发过程中的一个难题。目前常见的气道有：切向气道、螺旋气道、滚流气道。切向气道形状平直，进气前强烈地收缩，产生绕气缸纵轴旋转的进气涡流；螺旋气道是将气道内腔做成螺旋形，进气时主气流出现绕气门中心的旋转运动；滚流进气道近似直立，产生旋转中心线与气缸中心线垂直的纵向滚流气流。上述气道，要增强气流运动，必然与降低流动阻力相矛盾。
在节能减排的国际大背景下，柴油机正朝着高增压、高喷油压力的方向发展。对于高强化柴油机来说，循环进气量是制约功率提高的主要因素之一，而高强化柴油机进气压力大、喷油压力高，促使燃油雾化质量很高，再加上先进的燃烧室设计，如北京理工大学设计开发的双卷流、侧卷流燃烧室，从而降低了对进气运动强度的要求，甚至不需要进气道在进气过程中组织气流运动，因此只需要关注流动阻力损失。
因此，针对高强化柴油机，在供油系统及燃烧室系统满足要求的条件下，气道的设计目标即为流动阻力损失要尽可能小。但是，关于满足上述要求的气道设计方法，尚未见到有关报道。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种内燃机直气道参数设计方法，能够得到流动阻力损失较小的直气道，以满足对循环进气量的要求。
为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种内燃机直气道参数优化设计方法，选取表征直气道结构特征的关键参数为：气道进口截面积S1、气道喉口截面积S2、气道出口截面积S3；所述参数优化设计方法具体包括：
步骤一、采用CAD软件生成不带气门凸台的气道模型，称为中间模型；
步骤二、产生气门凸台模板，与所述中间模型作布尔运算，形成带有气门凸台的气道模型，称为母版模型；
步骤三、根据内燃机已知数据获得气道出口截面积S3并固定；
步骤四、利用所述中间模型，建立不同S1/S3的第一气道3D数模；然后利用CFD软件生成每个第一气道3D数模的第一稳流气道数值模型；根据第一稳流气道数值模型，在不同气道压差条件下，计算不同S1/S3下气道的稳流特性，通过分析流量系数随S1/S3的变化规律，以达到流量系数设计目标的同时投入成本最小为原则，确定S1/S3的最佳值；
步骤五、将所述S1/S3的最佳值代入所述母版模型，建立不同S2/S3的第二气道3D数模；然后利用CFD软件生成每个第二气道3D数模的第二稳流气道数值模型；根据第二稳流气道数值模型，在不同气道压差条件下，计算不同S2/S3下气道的稳流特性，通过分析流量系数随S2/S3的变化规律，以达到流量系数设计目标的同时投入成本最小为原则，确定S2/S3的最佳值。
其中，所述步骤一包括：
步骤101、确定设计气道时的参考点，参考点不位于内燃机缸盖上；
步骤102、基于参考点和内燃机已知数据，确定气道进口中心点和气道出口中心点的位置；
步骤103、确定气道进口形状和气道出口形状；
步骤104、过气道进口中心点和气道出口中心点作一平面P垂直于气缸上顶面；在所述平面P上，构造气道外轮廓，气道外轮廓的曲率半径尽可能大；
步骤105、根据所述气道进口形状、气道出口形状和气道外轮廓，生成气道的所述中间模型。
优选地，步骤101所述参考点选取气缸上顶面圆心。
优选地，该方法进一步包括：
步骤六、以代入S1/S3、S2/S3最佳值的母版模型为基础，加入气门模型后，利用CFD软件，建立不同L/D的第三稳流气道数值模型；所述L为最大气门升程，所述D为气道出口直径；根据第三稳流气道数值模型，在不同气道压差条件下，计算不同L/D下气道的稳流特性，通过分析流量系数随L/D的变化规律，以达到流量系数设计目标的同时投入成本最小为原则，确定L/D的最佳值。
优选地，步骤104所述构造气道外轮廓为：采用多点样条曲线构造所述气道外轮廓。
优选地，所述步骤二具体为：
在气道上方任意一点作一平面B平行于气缸上顶面；在该平面B上，形成三个直角边和一个半圆边构成的一个封闭轮廓，作为所述气门凸台模板；所述半圆边的圆心与所述气道出口中心点所成的直线垂直于气缸上顶面；采用CAD软件的切削拉伸功能，在中间模型的基础上，垂直于气缸上顶面，向下拉伸切削出气门凸台，通过改变切削深度来控制气道喉口面积S2的大小。
有益效果：
(1)本发明在构建参数化模型时，根据直气道的结构和进气特点，设计了3个关键参数来表征直气道的结构特征，便于迅速生成直气道的3D数模，而且通过简单修改可以灵活地改变直气道的结构，提高了气道的设计效率。
(2)本发明在优化参数时，通过中间模型和模板模型的分别应用和设计的参数求解顺序，实现了关键影响参数的解耦，采用无量纲化设计，得到的优化结果具有通用性，从而快速、成功的得到了流动阻力损失较小的进气道，以满足高强化柴油机对循环进气量的要求。
附图说明
图1为直气道参数优化设计方法流程图；
图2为加入气门凸台的直气道参数化建模示意图；
图3为未加气门凸台的直气道参数化建模示意图；
图4为变S1/S3气道结构示意图；
图5为进气压力200kPa时流量系数随不同压差和不同S1/S3的变化规律；
图6为变S2/S3气道结构示意图；
图7为进气压力200kPa时流量系数随不同压差和不同S2/S3的变化规律；
图8为变L/D气道结构示意图；
图9为进气压力200kPa时流量系数随不同压差和不同L/D的变化规律。
其中，1-气道进口平面，2-气道出口平面，3-气门凸台模板，4-气道中心剖面P，5-多点样条曲线a，6-多点样条曲线b，7-气门座圈。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
随着计算机和数值仿真技术的快速发展，基于CAD和CFD的优化设计方法已广泛应用于内燃机气道的优化设计中。本实施例以高强化柴油机为例，在供油系统及燃烧室系统满足要求的条件下，以气道的流动阻力损失要尽可能小为设计目标，来描述高强化柴油机直气道参数设计过程。在实际中，如果其他类型的内燃机通过喷油技术、燃烧室的技术改进，也达到了进气道在进气过程中不需要组织气流运动的要求，那么本发明也同样适用于这种类型内燃机的直气道设计。
首先，根据高强化柴油机直气道的结构及进气特点，由于高强化柴油机直气道的结构较为简单，在进气过程中，产生流动阻力损失比重较大的位置主要为气道的进出口和气门凸台处，所以相应的定义了3个关键参数来表征直气道的结构特征，如图2所示，分别为：气道进口截面积S1、气道喉口截面积S2、气道出口截面积S3，从而基于该关键参数进行参数化建模。
如图2所示，本发明的直气道参数优化设计方法具体步骤包括如下两个阶段，如图1所示，第一阶段是构建模型；第二阶段是参数优化；其中，第一阶段通过3个关键参数构建了两个模型，一个是中间模型，一个是母版模型，中间模型是不带气门凸台的气道模型，母版模型是在中间模型的基础上加入了气门凸台，利用这两个模型可以在参数优化时实现解耦，简化优化参数的求解过程。
第一阶段的模型构建具体包括如下子步骤：
步骤101、确定设计气道时的参考点，参考点不位于内燃机缸盖上。
本步骤中，参考点位置的选取需考虑两个方面：1)独立于缸盖，这样缸盖设计变化不会影响气道设计结果；2)与内燃机整体设计尺寸相关联。由于内燃机在设计过程中，最先确定了气缸上顶面，后续将以该上顶面圆心O为基准进行设计，因此该圆心位置不会变化，故建议选取气缸上顶面圆心为参考点。
步骤102、基于参考点和内燃机已知数据，确定气道进口中心点和气道出口中心点的位置。
本步骤中，以参考点为基准，根据缸盖的外形尺寸，确定气道进口平面1的位置，和气道出口平面2的位置；在进、出口平面上，根据给定的进、出口中心点与参考点O的相对距离Lx、Lz，确定气道进、出口中心点m、n的位置，如图3所示。
步骤103、确定气道进口形状和气道出口形状。
本实施例中，在进口平面上，以进口中心点m为基准，进口形状采用正方形设计，该正方形对角线的交点与进口中心点m重合，四周圆角，通过改变正方形边长La来控制气道进口截面积S1的大小；同理，在出口平面上，出口采用圆形设计，以出口中心点n为圆心，通过改变圆的半径R来控制气道出口截面积S3的大小。这里采用进口正方形和出口圆形，一方面便于两端的密封，另一方面可以采用一个变量来控制截面积大小。
步骤104、过气道进口中心点和气道出口中心点(m和n)作一平面垂直于气缸上顶面，命名为气道中心剖面，用字母P表示；在该平面P上，采用a、b两条多点样条曲线构造气道外轮廓，要求a、b曲线的各个端点分别在进、出口的轮廓线，且a、b曲线的曲率半径尽可能大，从而尽可能地减小流动损失。
步骤105、根据所述气道进口形状、气道出口形状和气道外轮廓(a、b)，通过CAD软件的实体特征功能，生成气道的中间模型。
步骤106、产生气门凸台模板，与中间模型作布尔运算，形成带有气门凸台的气道模型，称为母版模型。
本步骤具体为：在气道上方任意一点作一平面B平行于气缸上顶面；在该平面B上，形成三个直角边和一个半圆边构成的一个封闭轮廓，作为气门凸台模板3，如图2所示，半圆边的圆心与所述气道出口中心点n所成的直线垂直于气缸上顶面，半圆的半径由气门导管及弹簧座等尺寸确定，长方形尺寸适应半圆尺寸即可；采用CAD软件的切削拉伸功能，在中间模型的基础上，垂直于气缸上顶面，向下拉伸切削出气门凸台，通过改变切削深度H来控制气道喉口面积S2的大小，从而形成母版模型。在实际中，还可以拐角处圆角处理，至此完成单直气道的参数化建模，通过实体镜像功能可实现双直气道建模。
至此，完成了参数化建模过程，下面就是第二阶段的参数优化过程。
第二阶段是基于CFD软件进行直气道参数优化。由于在设计气道时，气道出口截面S3是已知参数，其可由内燃机缸径等参数确定，所以在进行参数优化时固定S3不变，对其它关键参数进行无量纲化，使优化结果具有通用性，目的在于确定无量纲参数S1/S3、S2/S3的最佳值，为了实现装配还需要计算出L/D(最大气门升程L与气道出口直径D之比)的最佳值，以使气道流动阻力较小，满足高强化柴油机对循环进气量的要求。由于直气道结构简单，可以近似地看作成一根直管道，气门凸台是中间的一个局部阻力点，该位置的损失受S1/S3的影响较大，因此先确定S1/S3的最佳值，在确定时，为了对各个关键参数实现解耦，采用中间模型优化S1/S3的值，然后再采用母版模型来优化S2/S3的值。具体来说，采用如下步骤实现参数优化：
步骤201、根据内燃机已知数据计算气道出口截面积S3并固定。
步骤202、确定S1/S3的最佳值。
本步骤中，为了解耦S2对气道性能的影响，先不考虑气门凸台的影响，首先利用上述中间模型，通过变化S1，建立不同S1/S3的气道3D数模，结构变化如图4所示；然后利用CFD软件生成本步骤所建立的每个气道3D数模的稳流气道数值模型，该数值模型除了包括气道，还包括稳压箱、气门座圈以及气缸；根据该稳流气道数值模型，在不同气道压差条件下，计算不同S1/S3下气道的稳流特性，通过分析流量系数Cf随S1/S3的变化规律，以达到流量系数设计目标的同时投入成本最小为原则，确定S1/S3的最佳值。图5为在进气压力200kPa下流量系数Cf随不同压差和不同S1/S3的变化规律，不同进气压力下的变化规律图相似，只取其中一张图进行分析即可。其中，流量系数是流动阻力的评价标准(或量化指标)，流量系数越大，流动阻力越小，因此应该令流量系数尽可能大。再加上考虑到成本问题，因此最佳值选取具体为：由流量系数随不同面积比的变化规律可知，随着面积比的增加，流量系数先迅速增大，然后增大的幅度逐渐减小，当面积比无限大时，最终可能会收敛于某一值。对于实际工程应用来说，在满足设计要求的同时，需保证投入成本应尽可能的小。在气道的设计过程中，随着面积比的增加，虽然流动损失越来越小，但是由于缸盖各部分性能及结构的限制，设计及加工等成本会大幅增加。因此，面积比的最佳值应以达到流量系数设计目标的同时投入成本最小为原则进行选取。
步骤203、确定S2/S3的最佳值。
本步骤中，将所述S1/S3的最佳值代入上述母版模型，建立不同S2/S3的气道3D数模，结构变化见图6；然后利用CFD软件生成本步骤所建立的每个气道3D数模的稳流气道数值模型，同样该数值模型除了包括气道，还包括稳压箱、气门座圈以及气缸；根据该稳流气道数值模型，在不同气道压差条件下，计算不同S2/S3下气道的稳流特性，通过分析流量系数Cf随S2/S3的变化规律，以达到流量系数设计目标的同时投入成本最小为原则，确定S2/S3的最佳值。图7为在进气压力200kPa下流量系数Cf随不同压差和不同S2/S3的变化规律。
步骤204、确定L/D的最佳值。
本步骤中，以上述S1/S3、S2/S3最佳值的母版模型为基础，加入气门座圈7模型后，利用CFD软件，建立不同L/D的气道3D数模，结构变化见图8，继而建立稳流气道数值模型，该数值模型包括稳压箱、气道、气门座圈以及气缸，还进一步包括气门，在不同气道压差条件下，计算不同L/D下气道的稳流特性，通过分析流量系数Cf随L/D的变化规律，以达到流量系数设计目标的同时投入成本最小为原则，即可确定L/D的最佳值。图9为在进气压力200kPa下流量系数Cf随不同压差和不同L/D的变化规律。
通过上述优化方法确定的最佳S1/S3、S2/S3、L/D，配合采用上述参数化建模方法，即可得到流动阻力损失较小的进气道，以满足高强化柴油机对循环进气量的要求。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种内燃机直气道参数优化设计方法，其特征在于，选取表征直气道结构特征的关键参数为：气道进口截面积S1、气道喉口截面积S2、气道出口截面积S3；所述参数优化设计方法具体包括：
步骤一、采用CAD软件生成不带气门凸台的气道模型，称为中间模型；
步骤二、产生气门凸台模板，与所述中间模型作布尔运算，形成带有气门凸台的气道模型，称为母版模型；
步骤三、根据内燃机已知数据获得气道出口截面积S3并固定；
步骤四、利用所述中间模型，建立不同S1/S3的第一气道3D数模；然后利用CFD软件生成每个第一气道3D数模的第一稳流气道数值模型；根据第一稳流气道数值模型，在不同气道压差条件下，计算不同S1/S3下气道的稳流特性，通过分析流量系数随S1/S3的变化规律，以达到流量系数设计目标的同时投入成本最小为原则，确定S1/S3的最佳值；
步骤五、将所述S1/S3的最佳值代入所述母版模型，建立不同S2/S3的第二气道3D数模；然后利用CFD软件生成每个第二气道3D数模的第二稳流气道数值模型；根据第二稳流气道数值模型，在不同气道压差条件下，计算不同S2/S3下气道的稳流特性，通过分析流量系数随S2/S3的变化规律，以达到流量系数设计目标的同时投入成本最小为原则，确定S2/S3的最佳值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一包括：
步骤101、确定设计气道时的参考点，参考点不位于内燃机缸盖上；
步骤102、基于参考点和内燃机已知数据，确定气道进口中心点和气道出口中心点的位置；
步骤103、确定气道进口形状和气道出口形状；
步骤104、过气道进口中心点和气道出口中心点作一平面P垂直于气缸上顶面；在所述平面P上，构造气道外轮廓，气道外轮廓的曲率半径尽可能大；
步骤105、根据所述气道进口形状、气道出口形状和气道外轮廓，生成气道的所述中间模型。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤101所述参考点选取气缸上顶面圆心。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：
步骤六、以代入S1/S3、S2/S3最佳值的母版模型为基础，加入气门模型后，利用CFD软件，建立不同L/D的第三稳流气道数值模型；所述L为最大气门升程，所述D为气道出口直径；根据第三稳流气道数值模型，在不同气道压差条件下，计算不同L/D下气道的稳流特性，通过分析流量系数随L/D的变化规律，以达到流量系数设计目标的同时投入成本最小为原则，确定L/D的最佳值。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤104所述构造气道外轮廓为：采用多点样条曲线构造所述气道外轮廓。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二具体为：
在气道上方任意一点作一平面B平行于气缸上顶面；在该平面B上，形成三个直角边和一个半圆边构成的一个封闭轮廓，作为所述气门凸台模板；所述半圆边的圆心与所述气道出口中心点所成的直线垂直于气缸上顶面；采用CAD软件的切削拉伸功能，在中间模型的基础上，垂直于气缸上顶面，向下拉伸切削出气门凸台，通过改变切削深度来控制气道喉口面积S2的大小。
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