CN112199831B - 一种高流通能力排气道设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高流通能力排气道设计方法，该方法是基于管道流动机理和理论公式提出，设计出的排气道具有高流通能力，且不局限于特定气道结构，具有通用性，能够真正实现气道的正向设计，满足高功率密度内燃机的换气需求。

Description

一种高流通能力排气道设计方法

技术领域

本发明属于发动机设计领域，具体涉及一种高流通能力排气道设计方法。

背景技术

内燃机具有热效率高，功率范围大，适应性强等特点，广泛应用于工业、农业及军事等领域。面对当今全球不断恶化的能源与环境形势，节能减排已然成为新一代内燃机的焦点，这就要求其在保证动力性的同时要更加注重经济性和排放。研发高功率密度内燃机是进一步提高内燃机效率、降低CO2排放的主要措施，提高标定转速是实现高功率密度的重要途径之一，但高转速会使充气效率急剧下降，从而导致缸内燃烧状况变差，影响内燃机的动力性、经济性和排放。因此充气效率是高功率密度内燃机的重要指标之一。

进排气系统是内燃机的重要组成部分，其优劣决定了内燃机的充气效率，尤其排气道设计不当时，致使排气过程缸压下降缓慢，排气不畅，增加活塞推出功，降低后续充气效率，所以对排气道有一个良好的设计至关重要。

目前对于排气道的设计，虽然基于CFD仿真方法的优化设计方法替代了传统试验方法，取得了明显的成效，节省了人力、物力，但CFD仿真优化终究属于逆向设计，优化过程难以避免多轮次的尝试，时间的大量消耗依旧在所难免。而且逆向优化虽然能够使排气道流通能力得到改善，但由于没有理论体系的指导，很容易遇到瓶颈，逆向优化会随着排气道流通能力要求的提高逐渐显得力不从心。因此，排气道设计需要一个正向的设计方法。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种高流通能力排气道设计方法，基于管道流动机理和理论公式提出，设计出的排气道具有高流通能力，且不局限于特定气道结构，具有通用性，能够真正实现气道的正向设计，满足高功率密度内燃机的换气需求。

实现本发明的具体方案如下：

在进行排气道设计时，主要按照如下步骤进行设计：

1)：将排气道进口作为最小截面，计算发动机额定工况下，最大排气门升程时的平均缸内压力和平均排气背压；

2)：将排气门面积以及1)中得到的平均缸内压力、平均排气背压带入排气道出口面积计算公式，计算得到排气道出口面积；

3)：根据缸盖的外轮廓尺寸，在满足加工和密封条件下，取排气道出口位置尽可能高，即图1中h尽可能大；

4)：选取排气道型线类型，然后根据型线设计原则对排气道型线进行设计，同时在满足设计原则的条件下，尽可能使排气道下型线的最小曲率半径取大值。

进一步的，排气道出口面积计算公式是按如下过程推导得到：

理论质量流量即理想状态下流经气道的质量流量，也是流经气道实际质量流量所能达到的最大值。在理想状态下，流动过程没有任何能量损失，也没有热交换，整个过程可逆绝热，满足等熵过程方程

式中，p为截面压力，ρ为气体密度，k为绝热指数。

当气道进口和出口的压力保持不变，气道内的气流运动为稳态流动。由于理想状态下的流动过程无热交换，气道不对外做功，且气道高度很小，可忽略位能的变化，因此气道内的气流运动满足能量方程

式中，h为某截面上的焓，v为该截面上的速度，h₀为滞止焓。

由焓值计算式及理想气体状态方程可知：

式中，c_p为定压比热容，T为气体温度。

结合式(3)，式(2)可表示为

式中，p₀为滞止压力，ρ₀为滞止密度。

结合式(1)和式(4)，可得该截面的平均速度v为：

式(5)适用于亚声速条件。结合式(1)，流经气道的理论质量流量为

式中，A为参考截面面积。

式(6)即为亚声速条件下的气道理论质量流量计算公式。

对于声速或超声速条件，由工程热力学可知，声速计算公式和临界压比分别为

式中，c_v为当地声速，p_cr为临界压力。

理想状态下，当气道出口压力小于或等于临界压力p_cr时，气道内气体流速将出现声速或超声速，且气体流速仅会在最小截面处达到声速(即临界状态)，此时最小截面处的压力为临界压力p_cr，密度为临界密度ρ_cr。结合式(1)、式(7)和式(8)可得最小截面处的声速表达式为

所以声速或超声速条件下，流过气道最小截面处的理论质量流量为

式中，S_min为气道内最小截面面积。

由质量守恒定律可知，流经气道最小截面处的质量流量即为流经整个气道的质量流量。所以式(10)即为声速或超声速条件下的气道理论质量流量计算公式

综上所述，气道可压缩条件下理论质量流量的计算公式为

式中，S_out为气道出口面积，p_b为气道出口压力。

在一定滞止压力和最小截面面积条件下，一旦管道内最小截面处的气体流速达到声速，则管道的质量流量达到饱和，此后无论是增大管道其他处的截面面积或增大压差，理论质量流量都不再增大。

所以为了充分提高气道的理论质量流量，在设计时应当满足在一定滞止压力条件下，流经气道的理论质量流量不小于气道在该滞止压力下的所能达到的最大质量流量。即：

m≥m_max (12)

对于亚声速压差，即p_b＞p_cr，式(12)可具体表达为：

整理后得：

对于声速或超声速压差，即p_b≤p_cr，此时气道出口的理论流速已经达到声速，所以只要S_out≥S_min，就可以使气道最小截面处的流速达到声速，即理论质量流量达到最大。

为了在最小气道尺寸下满足气道最大的流通能力，最佳的出口面积与最小截面面积的比值应该取一定工况下的最小值。所以气道出口面积与最小截面面积的最佳比满足关系式：

式(14)即为气道出口面积与最小截面面积最佳比值的计算公式，结合气道最小截面面积，即可求得气道的最佳出口面积。

对排气道而言，在设计时往往气门直径已定，即排气道进口已定，因此为了充分利用排气道流通能力，需将排气门作为排气道最小截面。另外由式(14)可知，气道最佳出进口面积比随压差的增大先减小后不变，所以为了使排气道出口面积能够在全工况范围内最优，应选取排气道的亚声速工况对排气道出口面积进行求取。由于提高排气道流通能力的主要目的是减小泵气损失，提高发动机功率密度，因此可以选取发动机额定工况下，最大进气门升程时的平均缸内压力和排气背压来进行计算。

综上，排气道出口面积可以按式(15)计算

进一步的，排气道型线设计原则是经过如下过程得到：

通过对不同弯管的流通能力进行CFD仿真，得到弯管流通能力随型线的变化规律，然后在排气道进行验证，最终得到排气道型线的设计准则。

首先建立了不同型线类型的三维等径弯管，模型的计算域只包含弯管本身，同时保证型线进口处切线平行于进口截面法线，型线出口处切线平行于出口截面法线。由于三维弯管的对称结构，为了节约计算时间，建立对称模型，如图2所示。

仿真的网格校核和模型验证略过，计算采用压力边界条件和k-ε湍流模型，计算工况为进气压力100kPa，压差10kPa和50kPa。定义下型线最小曲率半径与弯管内径之比为最小曲径比。不同型线条件下，弯管流量系数随下型线最小曲径比的变化规律如图3所示。

可见，对于具有不同最小曲率半径的型线(圆弧型线与圆锥型线)而言，弯管流量系数随下型线最小曲径比的变化规律相同，流量系数都随下型线最小曲径比的增大先增大，然后当最小曲径比大于1后收敛；当最小曲径比大于1后，不同型线的弯管流量系数基本相同。取所有最小曲径比大于1的弯管流量系数进行偏差计算，计算方式为

通过计算，压差10kPa条件下，不同型线最大流量系数的最大偏差为0.72％；压差50kPa条件下，不同型线最大流量系数的最大偏差为1.03％，偏差很小。可以认为当下型线最小曲径比大于1以后，不同型线的流量系数相同，此时型线类型对弯管流量系数的影响很小，弯管的流量系数主要还是取决于型线的最小曲径比。

以圆弧型线为例，计算了三维非等径弯管流量系数随上下型线的变化规律，建立对称模型，其模型示意图及其尺寸定义如图4所示，其中O1、O2分别为弯管下型线和上型线的圆心，d_u为上下型线的最大内径，r_u为上型线曲率半径，r_l为下型线曲率半径，d_in和d_out分别为进、出口的直径。

由于当下型线曲径比K_l≥1后，弯管流通能力基本不变，因此保证下型线曲率半径r_l≥d_in，设进口直径d_in＝40mm。选取了下型线曲率半径分别为40、50、60、70和80mm，共5种情况，每种情况选取不同的上型线曲率半径r_u进行建模，定义上型线最大径曲比K_u＝d_u/r_u，部分模型示意图如图5所示。

计算采用压力边界条件和k-ε湍流模型，计算工况为进气压力100kPa，压差10kPa和50kPa，对弯管的流量系数进行计算，计算结果如图6所示。

可见，在相同相对压差和相同下型线条件下，弯管流量系数随K_u的增大先增大，然后都在K_u＞1以后基本保持不变。

取每组曲线数据的最大值，可以得到在相同相对压差下，最大流量系数随下型线曲率半径的变化规律，如图7所示。

可见，不同下型线曲率半径所能达到的最大流量系数不同，在相同相对压差下，一定下型线曲率半径下的最大流量系数随下型线曲率半径的增大单调递增。

综上可知，对于弯管的圆弧型线应在结构条件允许的前提下，使下型线曲率半径最大，同时上型线的曲率半径保证K_u＝1即可。

最后，通过三维稳态CFD仿真，在排气道上验证弯管型线规律的适用性，验证工况排气背压100kPa，压差10kPa，验证工作主要从两个方面进行：

验证(1)：分别验证直进气道和排气道在相同下型线条件下，气道流量系数随上型线最大径曲比K_u的变化规律与弯管型线规律的一致性；

验证(2)：分别验证直进气道和排气道在K_u＝1时，气道流量系数随下型线曲率半径的变化规律与弯管型线规律的一致性。

以某原机排气道结构为基础，保持气道的进、出口面积不变，改变气道上下型线，排气门升程分别原机最大气门升程11mm。

选取排气道的下型线曲率半径r_l＝50mm，改变上型线曲率半径进行验证(1)；选取排气道K_u＝1，下型线曲率半径分别为40、45和50mm进行验证(2)。通过计算，验证(1)和(2)的验证结果如图8所示。

可见排气道流通能力随型线的变化规律与弯管相同。说明弯管型线的规律适用于排气道，因此可以得到排气道型线的设计准则：

可见排气道流通能力随型线的变化规律与弯管相同。说明弯管型线的规律适用于排气道，因此可以得到排气道型线的设计准则：

1)排气道下型线曲率半径尽可能取大；

2)上下型线需保证：排气道垂直于下型线的任意截面，均满足截面内径与该位置的下型线曲率半径之比值不大于1，截面内径与该位置的上型线曲率半径之比值不小于1；上下型线进口起始点的切线与排气道座圈喉口截面的法线平行。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为排气道长、高度示意图；

图2为不同型线的三维弯管对称模型示意图；

图3为弯管流量系数随下型线最小曲径比的变化规律曲线图；

图4为三维非等径弯管模型示意图；

图5为r_l＝40mm为不同上型线最大径曲比模型示意图；

图6为不同相对压差及上型线最大径曲比下的弯管流量系数的曲线图；

图7为最大流量系数随下型线曲率半径的变化规律曲线图；

图8为排气道验证结果曲线图；

图9为排气道原机模型图；

图10为排气道出口形状示意图；

图11为排气道型线坐标系示意图；

图12为排气道加工成品图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例基于某柴油机进行，对该柴油机的排气道运用本设计方法进行优化设计。该柴油机排气道的结构为两进口汇一出口结构，模型示意图如图9所示，其出口为槽形结构，如图10所示。

基于本设计方法的具体优化设计流程如下：

1、确定排气道进口面积

原机排气门座圈最小直径为37mm，即d₁＝37mm，排气门导杆直径为8mm，所以排气道进口面积S_in＝π/4×(372-82)＝1024.4mm²。

2、确定计算排气道出口面积的工况压力，计算出口面积

原机额定工况排气过程的平均排气背压约为300kPa，排气门升程所形成的流通面积大于排气道进口面积时的平均缸压约为405.4kPa，结合式(15)得到最佳出进口面积比为1.12，原机排气道是两进口汇一出口结构，得到出口面积为S_out＝1024.4×2×1.12＝2294.6mm²。保留原机排气道出口的槽型结构，且R＝L，通过计算得R＝21.1mm，d₂＝2R＝42.2mm。

3、确定排气道长和高

排气道选取圆弧加直线组合形式的型线，根据原机缸盖的外轮廓尺寸，可以确定排气道下型线长为62.3mm，为了使下型线曲率半径尽可能大，排气道高度在满足加工和密封条件尽可能取大，最终确定排气道下型线高度h＝56.2mm。

4、求取排气道型线参数

以排气道下型线圆弧的圆心为原点建立坐标系，结合排气道型线设计准则，对上下型线的曲率半径进行求取。型线几何关系、型线端点和上型线圆弧圆心坐标的表达式如图11所示。O1和O2分别为下型线和上型线圆弧的圆心，C1、C2、D1、D2分别为上、下型线的两个端点，T1和T2为O1O2连线分别与上、下型线的交点。

结合型线设计准则及坐标系，可得如下关系式

排气道下型线曲率半径尽可能取大，根据几何关系可得r_l,max＝h＝56.2mm，排气道上型线曲率半径取满足条件的最小值，根据关系式，可得排气道上型线曲率半径r_u＝56.2mm。

最终确定排气道出口面积为2294.6mm²，下型线长62.3mm、高56.2mm，上型线曲率半径为56.2mm，下型线曲率半径为56.2mm，上下型线进口起始点的切线与排气道座圈喉口截面的法线平行。

对上述设计排气道进行加工，通过稳流气道试验验证所设计的排气道的流通能力，加工成品如图12所示。

试验测试了不同压差条件下，优化后排气道与原排气道最大升程条件下的质量流量。测试条件为：自然吸气压差1～5kPa。测试结果如下表所示。

表 排气道优化前后质量流量测试结果

注：

可见优化后排气道的流通能力均优于原机气道，排气道流通能力最大提高了7.41％。表明通过本专利提出的设计方法设计出的排气道能够有效地提高排气道的流通能力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (3)

1.一种高流通能力排气道设计方法，其特征在于，包括如下内容：

1)将排气道进口作为最小截面，计算发动机额定工况下，最大排气门升程时的缸内压力平均值和排气背压平均值；

2)将缸内压力平均值作为排气道进口的滞止压力p₀，将排气背压平均值作为排气道的出口静压p_b，以排气道座圈喉口作为排气道的进口面积；根据如下公式计算排气道的出口面积：

k为绝热指数，取1.4；

3)选取排气道的型线类型，然后将排气道上下型线按如下原则确定：

排气道垂直于下型线的任意截面均满足截面内径与该位置的下型线曲率半径之比值不大于1，同时截面内径与该位置的上型线曲率半径之比值不小于1；上下型线进口起始点的切线与排气道座圈喉口截面的法线平行。

2.根据权利要求1所述的一种高流通能力排气道设计方法，其特征在于：在加工允许条件范围内，下型线不同位置的最小曲率半径取最大值；根据缸盖的外轮廓尺寸，在满足加工和密封条件下，取排气道出口位置的高度取最大值。

3.根据权利要求1所述的一种高流通能力排气道设计方法，其特征在于：排气道上下型线确定原则的获取方法如下：

通过对不同弯管的流通能力进行CFD仿真，得到弯管流通能力随型线的变化规律，然后在排气道进行验证，最终得到排气道型线的设计准则。

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