CN115048728B - 一种小型高体积功率密度发动机设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型高体积功率密度发动机设计方法，选取不同的气缸数，每种气缸数对应一种方案，根据达到目标功率所需的排量计算每种方案中各气缸的直径，结合发动机其他主要尺寸，计算每个方案对应的发动机的总体体积，根据所述总体体积和目标功率计算每个方案对应的体积功率密度，绘制功率密度随气缸数变化的曲线，其中，曲线峰值对应的气缸数即为最佳气缸数，从而在发动机概念设计阶段就确定使得发动机整体体积最小的布置方案；本发明提出的方法可以计算任一功率的小型发动机的体积功率密度，在发动机概念设计阶段即可确定使得发动机整体体积最小的布置方案。

Description

一种小型高体积功率密度发动机设计方法

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体涉及一种小型高体积功率密度发动机设计方法。

背景技术

随着技术水平的提升，军用和民用车辆不断升级，其对整车布置要求也越来越高，预留给发动机的布置空间有限，导致发动机越来越小型化。因此紧凑性日渐成为发动机设计过程中的重要指标，且对小型发动机尤为关键。而现有发动机设计领域缺少一种方法，能够在设计初期直接确定使发动机体积功率密度达到最高的布置方案。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种小型高体积功率密度发动机设计方法，该方法能在发动机概念设计阶段，通过初始设计参数直接确定一种总体方案，使发动机体积功率密度最高，满足现阶段内燃机领域对发动机紧凑性的要求。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种小型高体积功率密度发动机设计方法，该设计方法为：选取不同的气缸数，每种气缸数对应一种方案，根据达到目标功率P所需的排量计算每种方案中各气缸的直径，结合发动机其他主要尺寸，计算每个方案对应的发动机的总体体积V_total,i，根据所述总体体积V_total,i和目标功率P计算每个方案对应的体积功率密度，绘制功率密度随气缸数变化的曲线，其中，曲线峰值对应的气缸数即为最佳气缸数。

进一步的，所述方案的个数为n个，n的取值范围为3～6。

进一步的，所述计算每个方案对应的发动机的总体体积的方式为：计算第i个方案对应的发动机的总长度L_i、总高度H_i和总厚度U_i，然后计算第i个对应的发动机的总体体积V_total,i：

V_total,i＝L_iH_iU_i,i＝1，2，……n。

进一步的，所述根据所述总体体积V_total,i和目标功率P计算每个方案对应的体积功率密度P_V,i的方式为：

进一步的，目标功率所需的排量的计算方式为：建立发动机热力循环模型，根据发动机热力循环模型计算发动机输出目标功率P所需的排量V。

进一步的，所述其他主要尺寸包括：曲柄半径、连杆长度、活塞高度、活塞最小间隙、缸心距、缸套厚度、齿轮厚度、底壳厚度、油底壳高度、高度向底壳预留距离、长度向底壳预留距离、厚度向底壳预留距离、燃烧室高度、气缸盖高度和气缸盖罩高度。

有益效果：

(1)本发明选取不同的气缸数，每种气缸数对应一种方案，根据达到目标功率P所需的排量计算每种方案中各气缸的直径，结合发动机其他主要尺寸，计算每个方案对应的发动机的总体体积V_total,i，根据所述总体体积V_total,i和目标功率P计算每个方案对应的体积功率密度，绘制功率密度随气缸数变化的曲线，其中，曲线峰值对应的缸数即为最佳气缸数。发动机布置时气缸数的不同将导致发动机体积的不同，本发明所述的方法可以直观反映缸数对发动机体积功率密度的影响，为发动机初步方案的设定提供参考。

(2)本发明中方案的个数为为n个，n的取值范围为3～6，以保证曲线出现峰值，确定最优的方案。

(3)本发明计算每个方案对应的发动机的总体体积的方式为：计算第i个方案对应的发动机的总长度L_i、总高度H_i和总厚度U_i，单位均为mm，然后计算第i个对应的发动机的总体体积V_total,i。本发明根据达到目标功率所需的排量计算每种方案中各气缸的直径，结合发动机其他主要尺寸，得到每个方案中的发动机的总长度L_i、总高度H_i和总厚度U_i，以计算每个方案对应的发动机的总体体积，提供了一种准确而简便的发动机体积计算方法，即根据发动机目标功率确定排量，进而确定发动机总体积。

(4)本发明中其他主要尺寸包括：曲柄半径、连杆长度、活塞高度、活塞最小间隙、缸心距、缸套厚度、齿轮厚度、底壳厚度、油底壳高度、高度向底壳预留距离、长度向底壳预留距离、厚度向底壳预留距离、燃烧室高度、气缸盖高度、气缸盖罩高度。在发动机概念设计阶段就考虑了多种参数对发动机体积的影响，使得初始阶段确定发动机整体体积最小的布置方案具有高可靠性。

综上，本发明提出的方法可以计算任一功率的小型发动机的体积功率密度，在发动机概念设计阶段即可确定使得发动机整体体积最小的布置方案。

附图说明

图1是总体方案确定流程图；

图2是小型对置活塞发动机的尺寸标注示意图；

图3是小型对置活塞发动机的体积功率密度曲线图。

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。

实施例1：

本实施例提供了一种小型高体积功率密度发动机设计方法，参见附图1，该设计方法为：选取不同的气缸数，每种气缸数对应一种方案，根据达到目标功率所需的排量计算每种方案中各气缸的直径，结合发动机其他主要尺寸，计算每个方案对应的发动机的总体体积，根据所述总体体积和目标功率计算每个方案对应的体积功率密度，绘制功率密度随气缸数变化的曲线，其中，曲线峰值对应的气缸数即为最佳气缸数，从而在发动机概念设计阶段就确定使得发动机整体体积最小的布置方案。

进一步的，方案的个数为n个，n的取值范围为3～6，即选取3～6种气缸数；以保证曲线出现峰值，确定最优的方案。

进一步的，目标功率所需的排量的计算方法为：建立发动机热力循环模型，根据发动机热力循环模型计算发动机输出目标功率P所需的排量V，单位为mm³。进一步的，建立发动机热力循环模型和计算可通过发动机性能计算程序、自主编程或利用第三方软件实现。

进一步的，各气缸的直径和发动机其他主要尺寸需根据发动机型号建立经验计算公式进行确定。

进一步的，所述其他主要尺寸包括：曲柄半径、连杆长度、活塞高度、活塞最小间隙、缸心距、缸套厚度、齿轮厚度、底壳厚度、油底壳高度、高度向底壳预留距离、长度向底壳预留距离、厚度向底壳预留距离、燃烧室高度、气缸盖高度、气缸盖罩高度，单位均为mm。

进一步的，计算每个方案对应的发动机的总体体积的方法为：计算第i个方案对应的发动机的总长度L_i、总高度H_i和总厚度U_i，然后计算第i个对应的发动机的总体体积V_total,i(单位为m³)：

V_total,i＝L_iH_iU_i×10^-9,i＝1,2,…，n 公式(1)

进一步的，根据所述总体体积和目标功率计算每个方案对应的体积功率密度P_V,i(单位为KW/m³)的方式为：

实施例2：

本实施例基于实施例1，提供了一个具体实施例，发动机为对置活塞二冲程柴油机：

步骤S1，选择5种气缸数，即气缸数为1个，气缸数为2个，气缸数为3个，气缸数为4个，气缸数为5个，分别对应5种方案，即n＝5；参见附图2：布置方式为直列式布置；

步骤S2：建立热循环模型，利用Matlab编程计算，得到目标功率P＝30KW所需的排量为V＝369693.8167mm³；

步骤S3：根据排量得出不同方案对应的气缸的直径D_0,i；

当i＝1时，气缸数为1个，D_0,1＝62mm；

当i＝2时，气缸数为2个，D_0,2＝49mm；

当i＝3时，气缸数为3个，D_0,3＝43mm；

当i＝4时，气缸数为4个，D_0,4＝39mm；

当i＝5时，气缸数为5个，D_0,5＝36mm；

步骤S 4：得到发动机其他主要尺寸，参见附图2：

曲柄半径连杆长度H_1,i＝3.3R_i；活塞高度H_2,i＝0.25D_0,i+12；活塞最小间隙/>缸心距C_i＝1.35D_0,i；长度向底壳预留距离/>高度向底壳预留距离缸套厚度L_1,i＝5；齿轮厚度L_3,i＝30；发动机底壳厚度H_4,i＝5；厚度向底壳预留距离U_1,i＝15，以上单位均为mm；

步骤S5：根据发动机的缸径和其他主要尺寸计算每个方案对应的发动机的总体体积：

首先，分别计算每个方案对应的发动机的总长度L_i、总高度H_i和总厚度U_i：

发动机的总长度：L_i＝D_0,i+C_i(i-1)+2(L_1,i+_2,i+H_4,i)+L_3,i；

发动机总体厚度：U_i＝D_0,i+2(L_1,i+U_1,i+H_4,i)；

发动机总体高度：H_i＝H_3,i+2(H_1,i+H_2,i+2R_i+H_4,i+H_5,i)+H_6,i，其中，H_6,i为发动机油底壳高度，由油箱容量、发动机总体长度、总体厚度以及底壳厚度决定，

然后，发动机的总体体积V_total,i＝L_iH_iU_i×10^-9；

步骤S6：根据公式计算每种方案对应的体积功率密度：

当i＝1时，气缸数为1个，P_V,1＝3619.05kW/m³；

当i＝2时，气缸数为2个，P_V,2＝3945.62kW/m³；

当i＝3时，气缸数为3个，P_V,3＝3997.09kW/m³；

当i＝4时，气缸数为4个，P_V,4＝3973.41kW/m³；

当i＝5时，气缸数为5个，P_V,5＝3924.00kW/m³。

步骤S7：绘制体积功率密度P_V,i随缸数的变化曲线,参见附图3，缸数为3时体积功率密度曲线达到峰值，表明三缸直列式布置方式为该型对置活塞二冲程柴油机的最高体积功率密度总体方案。

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)

1.一种小型高体积功率密度发动机设计方法，其特征在于，该设计方法为：选取不同的气缸数，每种气缸数对应一种方案，根据达到目标功率P所需的排量计算每种方案中各气缸的直径，结合发动机其他主要尺寸，计算每个方案对应的发动机的总体体积V_total,i，根据所述总体体积V_total,i和目标功率P计算每个方案对应的体积功率密度，绘制功率密度随气缸数变化的曲线，其中，曲线峰值对应的气缸数即为最佳气缸数。

2.如权利要求1所述一种小型高体积功率密度发动机设计方法，其特征在于，所述方案的个数为n个，n的取值范围为3～6。

3.如权利要求2所述一种小型高体积功率密度发动机设计方法，其特征在于，所述计算每个方案对应的发动机的总体体积的方式为：计算第i个方案对应的发动机的总长度L_i、总高度H_i和总厚度U_i，然后计算第i个对应的发动机的总体体积V_total,i：

V_total,i＝L_iH_iU_i,i＝1，2，……n。

4.如权利要求1所述一种小型高体积功率密度发动机设计方法，其特征在于，所述根据所述总体体积V_total,i和目标功率P计算每个方案对应的体积功率密度P_V,i的方式为：

5.如权利要求1-4任意一项所述一种小型高体积功率密度发动机设计方法，其特征在于，目标功率所需的排量的计算方式为：建立发动机热力循环模型，根据发动机热力循环模型计算发动机输出目标功率P所需的排量V。

6.如权利要求1-4任意一项所述一种小型高体积功率密度发动机设计方法，其特征在于，所述其他主要尺寸包括：曲柄半径、连杆长度、活塞高度、活塞最小间隙、缸心距、缸套厚度、齿轮厚度、底壳厚度、油底壳高度、高度向底壳预留距离、长度向底壳预留距离、厚度向底壳预留距离、燃烧室高度、气缸盖高度和气缸盖罩高度。