CN106650152A - 一种内燃机直气道设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种内燃机直气道的设计方法，将直气道看作一个变截面的弯管，弯管的进、出口面积之比不小于1.5，生成直气道的弯管模型，在弯管模型上生成气门凸台，从而生成直气道的全模型。本发明能够提供一种设计方法，使得设计出的内燃机直气道具有流动损失小的特点，满足高功率内燃机对循环进气量的要求。

Description

一种内燃机直气道设计方法
技术领域
本发明涉及内燃机设计领域，具体涉及一种内燃机直气道的设计方法。
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，气道是进排气系统的核心零部件之一，其很大程度上影响每循环进入气缸的新鲜充量和缸内气流的运动强度。
通常，气道的设计目标为：气道不仅具有尽可能小的流动损失，又要能够组织大强度的缸内气流运动。两者是相互矛盾的关系，所以，这也是气道在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，具有较强的组织缸内气流运动的能力，但是必然会导致流动损失增大，循环进气量减少，限制内燃机功率的提高。
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，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，在供油系统及燃烧室系统满足要求的条件下，气道的设计目标转变为：气道应具有尽可能小的流动损失，即使循环进气量尽可能多。北京理工大学曾提供了一种内燃机直气道参数优化设计方法。其在直气道的参数建模部分，规定直气道的外轮廓采用多点样条曲线来约束，而多点样条曲线的优劣很大程度上决定于设计工程师的经验，即气道的性能受人为因素影响较大。此外，尚未见到其它与本发明相关的报道。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种内燃机直气道的设计方法，能够设计出一种内燃机直气道，具有流动损失小的特点，满足高功率内燃机对循环进气量的要求。
本发明直气道的设计思想为：根据直气道的设计目标和结构特征，将直气道看作一个变截面的弯管，气门凸台由于局部阻力损失是此弯管的缺陷，在保证弯管流动阻力最小的前提下，使气门凸台处的局部阻力损失最小，即可设计出总流动损失最小的直气道。设计步骤如下：
步骤一：将直气道看作一个变截面的弯管，所述弯管的进、出口面积之比不小于1.5，生成直气道的弯管模型；
步骤二：在弯管模型上生成气门凸台，从而生成直气道的全模型。
进一步地，所述步骤一包括：
步骤101：选取直气道出口截面中心点作为设计基准点；
步骤102：过设计基准点作任意一个平面，称为出口平面，并以缸盖外形尺寸为参考，确定直气道进口所在平面，称为进口平面；在进口平面上，通过与设计基准点的相对距离，确定直气道进口截面中心点；
步骤103：过设计基准点作一个平面，同时垂直于进口平面和出口平面，称为中心面；在中心面上，分别过设计基准点和进口截面中心点作两条直线，分别垂直于出口平面和进口平面，且两条直线必相交于一点，称为交点B，则设计基准点、交点B及进口截面中心点三点形成一个角；过交点B作该角的角平分线；在中心面上，过设计基准点作一直线与角平分线相交，要求该直线同时也在出口面上，称为交点C；以交点C为圆心，以交点C与设计基准点的距离为半径画圆弧，圆弧分别与过基准点和进口截面中心点的两条直线相切，圆弧以及过进口截面中心点的直线即为直气道中心线；
步骤104：在出口平面上，直气道出口采用圆形设计，以设计基准点为圆心作出口圆，在进口平面上，进口采用方形或圆形设计，保证进口形状的中心与进口截面中心点重合，且进口面积与出口面积之比不小于1.5，以进、出口的形状，进、出口的面积以及直气道中心线为基础，生成直气道的弯管模型。
进一步地，步骤二具体为：在弯管模型上方任意点作一个平面平行于出口平面，与过设计基准点作垂直于出口平面的直线相交于一点；以该交点为圆心，以气门导管的半径为半径作圆，称为导管圆；竖直向下拉伸导管圆来切削弯管模型生成气门凸台，从而生成直气道的全模型。
进一步地，所述步骤四中的弯管模型可随出口圆半径自由放大和缩小，同时保持流动损失不变。
进一步地，所述步骤五中的切削深度为导管圆刚好淹没于弯管模型。
有益效果：
1、本发明的设计方法能够提高直气道的设计效率，降低成本。
2、采用本发明的设计方法得到的内燃机直气道流动损失小、循环进气量大且结构简单。
3、采用本发明的设计方法得到的内燃机直气道具有普适性，可以应用于不同缸径的内燃机。
附图说明
图1为设计方法的建模流程图；
图2为直气道建模示意图a；
图3为直气道建模示意图b；
图4为弯管模型图；
图5为直气道建模示意图c；
图6为直气道全模型图；
图7为原柴油机直气道与本发明设计的直气道的流量系数对比图。
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。
本发明提供了一种内燃机直气道的设计方法，设计思想为：根据直气道的设计目标和结构特征，将直气道看作一个变截面的弯管，气门凸台由于局部阻力损失是此弯管的缺陷，在保证弯管流动阻力最小的前提下，使气门凸台处的局部阻力损失最小，即可设计出总流动损失最小的直气道。本实施例基于CAD三维造型软件对上述直气道进行建模，建模流程如图1所示。
具体设计步骤如下：
步骤一：选取直气道出口截面中心点作为设计基准点，用字母O表示，能够使尺寸链最简单，如图2所示；
步骤二：如图2所示，过设计基准点O作任意一平面，称为出口平面，用字母P表示，并以缸盖外形尺寸为参考，确定直气道进口所在平面，称为进口平面，用字母N表示；在进口平面N上，通过与设计基准点的相对距离Lx、Ly，确定直气道进口截面中心点A；
步骤三：如图2所示，过设计基准点O作一平面，同时垂直于进口平面N和出口平面P，称为中心面M；在面M上，分别过点O和点A作两条直线L1、L2，分别垂直于出口平面P和进口平面N，且两条直线必相交于一点，称为交点B，则有角OBA；过点B作角OBA的角平分线；在面M上，过点O作一直线与角平分线相交，要求该直线同时也在出口面上，为了使气流流出方向与出口面相切，减小流动损失，交点用字母C表示；以点C为圆心，以点O与点C间的距离为半径作圆弧，圆弧分别与直线L1、L2相切，切点分别为点O和点D，从而得到直气道中心线ADO；
步骤四：如图3所示，在面P上，气道出口采用圆形设计，以设点O为圆心，通过改变圆的半径R来控制出口面积S2的大小；在面N上，进口采用方形或圆形设计，需保证进口形状的中心与进口截面中心点重合，本实施例以方形为例，通过长、宽及圆角半径控制进口面积S1的大小，使S1/S2大于等于1.5，因为在此面积比范围内弯管模型的流动阻力小；以进、出口的形状、面积比以及直气道中心线为基础，生成直气道的弯管模型，如图4所示，弯管模型可随出口圆半径自由放大和缩小，同时保持流动损失不变；通常内燃机气道的出口圆半径与缸径直接相关，而上述弯管模型又可以随出口圆半径自由放大和缩小，可以应用于不同缸径的内燃机。
步骤五：如图5所示，在面M上，在弯管模型上方任意点作一平面Q平行于面P，与直线L1相交于点E；以点E为圆心，以气门导管的半径为半径作圆，称为导管圆；竖直向下拉伸导管圆来切削弯管模型生成气门凸台，切削深度h以导管圆刚好淹没于弯管模型为最佳，如图5中的位置,，此时切削深度最小，气门凸台处局部阻力损失最小，从而生成直气道的全模型，完成直气道的建模，如图6所示。
流量系数是气道的评价指标，流动阻力越小，流量系数越大。图7为原柴油机直气道与本发明设计的直气道的流量系数对比，由图7可知，当气门处于最大升程时，本发明设计的直气道的流量系数与原机直气道相比，提高了4.8％左右。
由此可以看出，采用本发明设计方法得到的内燃机直气道，具有流动损失小的特点，能够满足高功率内燃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 (5)

1.一种内燃机直气道设计方法，其特征在于，设计步骤如下：
步骤一：将直气道看作一个变截面的弯管，所述弯管的进、出口面积之比不小于1.5，生成直气道的弯管模型；
步骤二：在弯管模型上生成气门凸台，从而生成直气道的全模型。
2.如权利要求1所述的内燃机直气道设计方法，其特征在于，所述步骤一包括：
步骤101：选取直气道出口截面中心点作为设计基准点；
步骤102：过设计基准点作任意一个平面，称为出口平面，并以缸盖外形尺寸为参考，确定直气道进口所在平面，称为进口平面；在进口平面上，通过与设计基准点的相对距离，确定直气道进口截面中心点；
步骤103：过设计基准点作一个平面，同时垂直于进口平面和出口平面，称为中心面；在中心面上，分别过设计基准点和进口截面中心点作两条直线，分别垂直于出口平面和进口平面，且两条直线必相交于一点，称为交点B，则设计基准点、交点B及进口截面中心点三点形成一个角；过交点B作该角的角平分线；在中心面上，过设计基准点作一直线与角平分线相交，要求该直线同时也在出口面上，称为交点C；以交点C为圆心，以交点C与设计基准点的距离为半径画圆弧，圆弧分别与过基准点和进口截面中心点的两条直线相切，圆弧以及过进口截面中心点的直线即为直气道中心线；
步骤104：在出口平面上，直气道出口采用圆形设计，以设计基准点为圆心作出口圆，在进口平面上，进口采用方形或圆形设计，保证进口形状的中心与进口截面中心点重合，且进口面积与出口面积之比不小于1.5，以进、出口的形状，进、出口的面积以及直气道中心线为基础，生成直气道的弯管模型。
3.如权利要求1所述的内燃机直气道设计方法，其特征在于，步骤二具体为：在弯管模型上方任意点作一个平面平行于出口平面，与过设计基准点作垂直于出口平面的直线相交于一点；以该交点为圆心，以气门导管的半径为半径作圆，称为导管圆；竖直向下拉伸导管圆来切削弯管模型生成气门凸台，从而生成直气道的全模型。
4.如权利要求2所述的内燃机直气道设计方法，其特征在于，所述步骤104中的弯管模型可随出口圆半径自由放大和缩小，同时保持流动损失不变。
5.如权利要求3所述的内燃机直气道设计方法，其特征在于，所述步骤二中的切削深度为导管圆刚好淹没于弯管模型。
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