内燃机切向气道结构全参数的设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种内燃机切向气道结构全参数的设计方法，通过18项切向气道参数定量确定内燃机切向气道的形状结构。如气缸直径；进气道出口外径；气缸中心和进气道出口中心连线与进气道入口方向的夹角；进气道出口与缸盖底面的距离；气缸中心至进气道出口中心的距离；进气道长度、入口宽度；气道入口中心至气缸中心的距离；进气道入口高度；气道入口中心至缸盖底面的距离；整体气道沿分型线的拔模斜度等。按照参数顺序，前14项用于确定气道的结构；后4项属于性能参数。以18个气道参数为基础数据，对切向气道进行参数化建模，获取气道的三维模型。与传统的设计方法相比，本发明可以有针对性的对气道的性能进行优化，有效节省了气道开发周期和成本。
【专利说明】
内燃机切向气道结构全参数的设计方法
技术领域
[0001] 本发明属于内燃机构件设计，具体涉及到一种内燃机切向气道模型的设计方法。
【背景技术】
[0002] 内燃机气道的形状直接影响到缸内气体流动和燃烧的优劣，从而在很大程度上影 响着发动机的动力性、经济性和排放特性。因此，提高发动机燃油经济性和其它性能指标的 一个重要手段，就是开发出具有良好性能的气道或者对具有技术缺陷的气道进行优化，目 的是所设计的进气道必须能满足最佳的气流运动轨迹和较高的流速。由于气道具有复杂的 空间曲面，所以气道形状参数的确定一直是内燃机结构设计中的难题之一。气道开发设计 主要有两个途径:一是依靠经验，加工制作后通过气道稳态流动试验确定最终方案;二是采 用逆向的气道设计方法，对现有气道进行复制，然后通过局部结构修改对其进行优化，以满 足性能要求。这两种方法应用于内燃机气道设计，除了工作量非常大以外，无法得到最佳的 结构参数。
[0003] 鉴于此，本发明在探明切向气道空间结构特征的基础上，提出了一种新的切线气 道设计方法，可以快速得到可靠的切向气道结构参数。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是，提供一种内燃机切向气道结构全参数的设计方法，可以准确指 导气道模型设计，满足内燃机高效清洁燃烧的要求。
[0005] 内燃机切向气道结构全参数的设计方法，通过18项切向气道参数定量确定内燃机 切向气道的形状结构。这18项参数具体为:气缸直径;进气道出口外径;气缸中心和进气道 出口中心连线与进气道入口方向的夹角;进气道出口与缸盖底面的距离;气缸中心至进气 道出口中心的距离;进气道长度;进气道入口中心至气缸中心的距离;进气道入口宽度;进 气道入口高度;进气道入口中心至缸盖底面的距离;进气道入口圆角;整体气道沿分型线的 拔模斜度;气道凸台高度;气道凸台直径;进气道出口上方壁面与缸盖底平面的夹角;进气 道出口下方壁面与缸盖底平面的夹角;气缸中心和进气道出口中心连线与进气道出口中心 线的水平夹角;进气道出口上方壁面的垂直段高度。按照上所述参数顺序，前14项参数用于 确定气道的结构，后4项属于性能参数。以18个气道参数为基础数据，对切向气道进行参数 化建模，获取气道的三维模型。
[0006] 本发明从缸盖设计、在缸盖上安装的附属机构、铸造工艺、结构强度等各个方面的 全局统筹考虑，在满足切向气道从入口至出口流通截面由大到小均匀过渡的基础上，确定 出上述各参数，或者说将切向气道的空间结构进行了全参数化。
[0007] 对于内燃机切向气道的性能优化，气道的性能用流量系数和涡流强度两个指标进 行衡量，但是这两个指标呈强烈此消彼长的关系，所以在气道设计过程中往往需要对气道 的结构进行反复修改调整以满足气道性能的需求，时间长且成本高。上述参数的后4项就是 用于切向气道性能的调整。进气道出口上方壁面与缸盖底平面的夹角，与进气道出口下方 壁面与缸盖底平面的夹角，随着参数值得增大，涡流强度随之增大，流量系数随之减小；而 气缸中心和进气道出口中心连线与进气道出口中心线的水平夹角，该值主要受空间结构约 束，在90°时涡流强度达到最大值;进气道出口上方壁面的垂直段高度，随着参数值得增大， 涡流强度随之减小，流量系数随之增大。所以在满足边界条件的基础上进行气道性能优化 时，可以只针对这四个参数值进行调整，最终获取目标性能气道的三维模型。
[0008] 本发明的特点以及产生的积极效果是，传统的设计方法主要依靠经验和数据库， 缺少理论依据，对设计人员的个人能力要求较高。该方法在探明气道参数对气道性能影响 规律的基础上，可以有针对性的根据需求对气道的性能进行优化，减小了气道的优化次数， 有效节省了气道开发周期和成本。
【附图说明】
[0009] 图1是气道端面方向所对应的参数。
[001 0]图2是气道主视方向所对应的参数。
【具体实施方式】
[0011] 以下结合附图并通过和实施例对本发明的方法做进一步的说明。
[0012] 内燃机切向气道结构全参数的设计方法，其特征是通过18项切向气道参数定量确 定内燃机切向气道的形状结构，18项参数具体为:参数1是气缸直径;参数2是进气道出口外 径;参数3是气缸中心和进气道出口中心连线与进气道入口方向的夹角；参数4是进气道出 口与缸盖底面的距离;参数5是气缸中心至进气道出口中心的距离;参数6是进气道长度;参 数7是进气道入口中心至气缸中心的距离;参数8是进气道入口宽度;参数9是进气道入口高 度;参数10是进气道入口中心至缸盖底面的距离;参数11是进气道入口圆角;参数12是整个 气道沿分型线的拔模斜度;参数13是气道凸台高度;参数14是气道凸台直径;参数15是进气 道出口上方壁面与缸盖底平面的夹角；参数16是进气道出口下方壁面与缸盖底平面的夹 角；参数17是气缸中心和进气道出口中心连线与进气道出口中心线的水平夹角；参数18是 进气道出口上方壁面的垂直段高度。
[0013] 按照上述参数的顺序，前14项参数用于确定气道的结构，后4项属于性能参数，以 此18个气道参数为基础数据，对切向气道进行参数化建模，获取气道的三维模型。
[0014] 进气道出口上方壁面与缸盖底平面的夹角（参数15)，与进气道出口下方壁面与缸 盖底平面的夹角（参数16)选取范围为55°至75°。
[0015] 气缸中心和进气道出口中心连线与进气道出口中心线的水平夹角(参数17)，可选 取范围为80°至100°，该夹角在90°时涡流强度达到最大值。
[0016] 进气道出口上方壁面的垂直段高度(参数18)，可选取范围是0.2倍至0.5倍的内燃 机气门座圈内径。
[0017] 以上述18个气道参数为基础，可以对内燃机的气道直接进行优化设计，也可以对 其它任意相似结构的切向气道通过改变18个切向气道参数，进行参数化建模，获取气道的 三维模型，对切向气道的结构和性能进行调整。
[0018] 以某柴油机切向气道为例，进行切向气道的全参数化设计。该柴油机的相关参数 见表1。
[0019] 表1某柴油机切向气道的相关参数
[0020]
[0021] 基于该柴油机切向气道边界条件(气道及附属件布置空间、铸造工艺、结构强度） 调整18项气道参数(图1、图2)，使设计出的结构逼近原始气道的三维模型。
[0022] 所设计的切向气道应满足从入口至出口流通截面由大到小均匀过渡的原则。
[0023] 以18个气道参数为基础数据，对切向气道进行参数化建模，在建模过程中，以18个 气道参数搭建气道三维模型的骨架，在此基础上构建气道的表面，最终形成气道的实体结 构，进而获取气道的最终三维模型。构建完成后对其展开稳态数值模拟，与原气道相比新设 计气道的流通截面以及局部结构均进行了改善，新设计气道由于沿程阻力和局部阻力减 小，其流通能力大幅度提高，模拟结果如表2所示。所设计的气道与该柴油机原始气道相比， 在最大气门升程切向气道流量系数提高了3%，涡流强度提高了 10%。
[0024]表2:数值模拟结果
[0025]
[0026] 柴油机气道其性能在满足一定涡流强度的基础上，应尽可能的提高流量系数。为 了维持原有的涡流强度并进一步提高流量系数，对进气道出口上方壁面与缸盖底平面的 夹角（参数15)调整为60°。进气道出口下方壁面与缸盖底平面的夹角（参数16)调整为70°。 气缸中心和进气道出口中心连线与进气道出口中心线的水平夹角（参数17)为90°。进气道 出口上方壁面的垂直段高度(参数18)为0.2倍的内燃机气门座圈内径。
[0027]表3:数值模拟结果 [0028]
[0029]模拟结果显示(表3)，最终方案气道三维模型与原始气道相比，最大气门升程切向 气道流量系数提高了5%，涡流强度基本保持不变。
【主权项】
1. 内燃机切向气道结构全参数的设计方法，其特征在于:通过18项切向气道参数定量 确定内燃机切向气道的形状结构，具体为:气缸直径;进气道出口外径;气缸中心和进气道 出口中心连线与进气道入口方向的夹角;进气道出口与缸盖底面的距离;气缸中心至进气 道出口中心的距离;进气道长度;进气道入口中心至气缸中心的距离;进气道入口宽度;进 气道入口高度;进气道入口中心至缸盖底面的距离;进气道入口圆角;整体气道沿分型线的 拔模斜度;气道凸台高度;气道凸台直径;进气道出口上方壁面与缸盖底平面的夹角;进气 道出口下方壁面与缸盖底平面的夹角;气缸中心和进气道出口中心连线与进气道出口中心 线的水平夹角;进气道出口上方壁面的垂直段高度，按照所述参数顺序，前14项参数用于确 定气道的结构，后4项属于性能参数，以所述18个气道参数为基础数据，对切向气道进行参 数化建模，获取气道的三维模型。2. 按照权利要求1所述内燃机切向气道结构全参数的设计方法，其特征在于:所述进气 道出口上方壁面与缸盖底平面的夹角，与进气道出口下方壁面与缸盖底平面的夹角选取范 围为55°至75°。3. 按照权利要求1所述内燃机切向气道结构全参数的设计方法，其特征在于:所述气缸 中心和进气道出口中心连线与进气道出口中心线的水平夹角，可选取范围为80°至100°，该 夹角在90°时涡流强度达到最大值。4. 按照权利要求1所述内燃机切向气道结构全参数的设计方法，其特征在于:所述进气 道出口上方壁面的垂直段高度，可选取范围是0.2倍至0.5倍的内燃机气门座圈内径。5. 按照权利要求1所述内燃机切向气道结构全参数的设计方法，其特征在于:通过改变 所述18项切向气道参数，可对其它任意相似结构的内燃机切向气道的结构和性能进行调整 修改，得到最优化的切向气道结构。
【文档编号】F02M35/104GK105952554SQ201610237745
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】王利民, 王天友, 鲁祯
【申请人】天津大学