一種內燃機直氣道設計方法與流程

本發明涉及內燃機設計領域，具體涉及一種內燃機直氣道的設計方法。

背景技術：

在內燃機中，進排氣系統、燃料供給系統和燃燒室形狀三者的相互匹配是決定燃燒過程優劣的關鍵。其中，氣道是進排氣系統的核心零部件之一，其很大程度上影響每循環進入氣缸的新鮮充量和缸內氣流的運動強度。

通常，氣道的設計目標為：氣道不僅具有盡可能小的流動損失，又要能夠組織大強度的缸內氣流運動。兩者是相互矛盾的關系，所以，這也是氣道在研發過程中的一個難題。目前常見的氣道有：切向氣道、螺旋氣道、滾流氣道。切向氣道形狀平直，進氣前強烈地收縮，產生繞氣缸縱軸旋轉的進氣渦流；螺旋氣道是將氣道內腔做成螺旋形，進氣時主氣流出現繞氣門中心的旋轉運動；滾流進氣道近似直立，產生旋轉中心線與氣缸中心線垂直的縱向滾流氣流。上述氣道，具有較強的組織缸內氣流運動的能力，但是必然會導致流動損失增大，循環進氣量減少，限制內燃機功率的提高。

在節能減排的國際大背景下，柴油機正朝著高增壓、高噴油壓力的方向發展。對于高強化柴油機來說，進氣壓力大、噴油壓力高，促使燃油霧化質量很高，再加上先進的燃燒室設計，如北京理工大學設計開發的雙卷流、側卷流燃燒室，從而降低了對進氣運動強度的要求，甚至不需要進氣道在進氣過程中組織氣流運動。

因此，在供油系統及燃燒室系統滿足要求的條件下，氣道的設計目標轉變為：氣道應具有盡可能小的流動損失，即使循環進氣量盡可能多。北京理工大學曾提供了一種內燃機直氣道參數優化設計方法。其在直氣道的參數建模部分，規定直氣道的外輪廓采用多點樣條曲線來約束，而多點樣條曲線的優劣很大程度上決定于設計工程師的經驗，即氣道的性能受人為因素影響較大。此外，尚未見到其它與本發明相關的報道。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明提供了一種內燃機直氣道的設計方法，能夠設計出一種內燃機直氣道，具有流動損失小的特點，滿足高功率內燃機對循環進氣量的要求。

本發明直氣道的設計思想為：根據直氣道的設計目標和結構特征，將直氣道看作一個變截面的彎管，氣門凸臺由于局部阻力損失是此彎管的缺陷，在保證彎管流動阻力最小的前提下，使氣門凸臺處的局部阻力損失最小，即可設計出總流動損失最小的直氣道。設計步驟如下：

步驟一：將直氣道看作一個變截面的彎管，所述彎管的進、出口面積之比不小于1.5，生成直氣道的彎管模型；

步驟二：在彎管模型上生成氣門凸臺，從而生成直氣道的全模型。

進一步地，所述步驟一包括：

步驟101：選取直氣道出口截面中心點作為設計基準點；

步驟102：過設計基準點作任意一個平面，稱為出口平面，并以缸蓋外形尺寸為參考，確定直氣道進口所在平面，稱為進口平面；在進口平面上，通過與設計基準點的相對距離，確定直氣道進口截面中心點；

步驟103：過設計基準點作一個平面，同時垂直于進口平面和出口平面，稱為中心面；在中心面上，分別過設計基準點和進口截面中心點作兩條直線，分別垂直于出口平面和進口平面，且兩條直線必相交于一點，稱為交點B，則設計基準點、交點B及進口截面中心點三點形成一個角；過交點B作該角的角平分線；在中心面上，過設計基準點作一直線與角平分線相交，要求該直線同時也在出口面上，稱為交點C；以交點C為圓心，以交點C與設計基準點的距離為半徑畫圓弧，圓弧分別與過基準點和進口截面中心點的兩條直線相切，圓弧以及過進口截面中心點的直線即為直氣道中心線；

步驟104：在出口平面上，直氣道出口采用圓形設計，以設計基準點為圓心作出口圓，在進口平面上，進口采用方形或圓形設計，保證進口形狀的中心與進口截面中心點重合，且進口面積與出口面積之比不小于1.5，以進、出口的形狀，進、出口的面積以及直氣道中心線為基礎，生成直氣道的彎管模型。

進一步地，步驟二具體為：在彎管模型上方任意點作一個平面平行于出口平面，與過設計基準點作垂直于出口平面的直線相交于一點；以該交點為圓心，以氣門導管的半徑為半徑作圓，稱為導管圓；豎直向下拉伸導管圓來切削彎管模型生成氣門凸臺，從而生成直氣道的全模型。

進一步地，所述步驟四中的彎管模型可隨出口圓半徑自由放大和縮小，同時保持流動損失不變。

進一步地，所述步驟五中的切削深度為導管圓剛好淹沒于彎管模型。

有益效果：

1、本發明的設計方法能夠提高直氣道的設計效率，降低成本。

2、采用本發明的設計方法得到的內燃機直氣道流動損失小、循環進氣量大且結構簡單。

3、采用本發明的設計方法得到的內燃機直氣道具有普適性，可以應用于不同缸徑的內燃機。

附圖說明

圖1為設計方法的建模流程圖；

圖2為直氣道建模示意圖a；

圖3為直氣道建模示意圖b；

圖4為彎管模型圖；

圖5為直氣道建模示意圖c；

圖6為直氣道全模型圖；

圖7為原柴油機直氣道與本發明設計的直氣道的流量系數對比圖。

具體實施方式

下面結合附圖并舉實施例，對本發明進行詳細描述。

本發明提供了一種內燃機直氣道的設計方法，設計思想為：根據直氣道的設計目標和結構特征，將直氣道看作一個變截面的彎管，氣門凸臺由于局部阻力損失是此彎管的缺陷，在保證彎管流動阻力最小的前提下，使氣門凸臺處的局部阻力損失最小，即可設計出總流動損失最小的直氣道。本實施例基于CAD三維造型軟件對上述直氣道進行建模，建模流程如圖1所示。

具體設計步驟如下：

步驟一：選取直氣道出口截面中心點作為設計基準點，用字母O表示，能夠使尺寸鏈最簡單，如圖2所示；

步驟二：如圖2所示，過設計基準點O作任意一平面，稱為出口平面，用字母P表示，并以缸蓋外形尺寸為參考，確定直氣道進口所在平面，稱為進口平面，用字母N表示；在進口平面N上，通過與設計基準點的相對距離Lx、Ly，確定直氣道進口截面中心點A；

步驟三：如圖2所示，過設計基準點O作一平面，同時垂直于進口平面N和出口平面P，稱為中心面M；在面M上，分別過點O和點A作兩條直線L1、L2，分別垂直于出口平面P和進口平面N，且兩條直線必相交于一點，稱為交點B，則有角OBA；過點B作角OBA的角平分線；在面M上，過點O作一直線與角平分線相交，要求該直線同時也在出口面上，為了使氣流流出方向與出口面相切，減小流動損失，交點用字母C表示；以點C為圓心，以點O與點C間的距離為半徑作圓弧，圓弧分別與直線L1、L2相切，切點分別為點O和點D，從而得到直氣道中心線ADO；

步驟四：如圖3所示，在面P上，氣道出口采用圓形設計，以設點O為圓心，通過改變圓的半徑R來控制出口面積S₂的大小；在面N上，進口采用方形或圓形設計，需保證進口形狀的中心與進口截面中心點重合，本實施例以方形為例，通過長、寬及圓角半徑控制進口面積S₁的大小，使S₁/S₂大于等于1.5，因為在此面積比范圍內彎管模型的流動阻力小；以進、出口的形狀、面積比以及直氣道中心線為基礎，生成直氣道的彎管模型，如圖4所示，彎管模型可隨出口圓半徑自由放大和縮小，同時保持流動損失不變；通常內燃機氣道的出口圓半徑與缸徑直接相關，而上述彎管模型又可以隨出口圓半徑自由放大和縮小，可以應用于不同缸徑的內燃機。

步驟五：如圖5所示，在面M上，在彎管模型上方任意點作一平面Q平行于面P，與直線L1相交于點E；以點E為圓心，以氣門導管的半徑為半徑作圓，稱為導管圓；豎直向下拉伸導管圓來切削彎管模型生成氣門凸臺，切削深度h以導管圓剛好淹沒于彎管模型為最佳，如圖5中的位置,，此時切削深度最小，氣門凸臺處局部阻力損失最小，從而生成直氣道的全模型，完成直氣道的建模，如圖6所示。

流量系數是氣道的評價指標，流動阻力越小，流量系數越大。圖7為原柴油機直氣道與本發明設計的直氣道的流量系數對比，由圖7可知，當氣門處于最大升程時，本發明設計的直氣道的流量系數與原機直氣道相比，提高了4.8％左右。

由此可以看出，采用本發明設計方法得到的內燃機直氣道，具有流動損失小的特點，能夠滿足高功率內燃機對循環進氣量的要求。

綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。