[發明專利]一種高流通能力排氣道設計方法

有效

• 申請號: 202011042619.0
• 申請日: 2020-09-28
• 公開（公告）號: CN112199831B
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發明（設計）人: 徐洋;黃樹和;張翔宇;劉麗芳;王龍飛;蘇立旺;劉永豐;元虎
• 申請（專利權）人: 中國北方發動機研究所（天津）
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F113/14;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 天津企興智財知識產權代理有限公司 12226
• 代理人: 馬倩倩

本發明提供了一種高流通能力排氣道設計方法，該方法是基于管道流動機理和理論公式提出，設計出的排氣道具有高流通能力，且不局限于特定氣道結構，具有通用性，能夠真正實現氣道的正向設計，滿足高功率密度內燃機的換氣需求。

技術領域

本發明屬于發動機設計領域，具體涉及一種高流通能力排氣道設計方法。

背景技術

內燃機具有熱效率高，功率范圍大，適應性強等特點，廣泛應用于工業、農業及軍事等領域。面對當今全球不斷惡化的能源與環境形勢，節能減排已然成為新一代內燃機的焦點，這就要求其在保證動力性的同時要更加注重經濟性和排放。研發高功率密度內燃機是進一步提高內燃機效率、降低CO2排放的主要措施，提高標定轉速是實現高功率密度的重要途徑之一，但高轉速會使充氣效率急劇下降，從而導致缸內燃燒狀況變差，影響內燃機的動力性、經濟性和排放。因此充氣效率是高功率密度內燃機的重要指標之一。

進排氣系統是內燃機的重要組成部分，其優劣決定了內燃機的充氣效率，尤其排氣道設計不當時，致使排氣過程缸壓下降緩慢，排氣不暢，增加活塞推出功，降低后續充氣效率，所以對排氣道有一個良好的設計至關重要。

目前對于排氣道的設計，雖然基于CFD仿真方法的優化設計方法替代了傳統試驗方法，取得了明顯的成效，節省了人力、物力，但CFD仿真優化終究屬于逆向設計，優化過程難以避免多輪次的嘗試，時間的大量消耗依舊在所難免。而且逆向優化雖然能夠使排氣道流通能力得到改善，但由于沒有理論體系的指導，很容易遇到瓶頸，逆向優化會隨著排氣道流通能力要求的提高逐漸顯得力不從心。因此，排氣道設計需要一個正向的設計方法。

發明內容

有鑒于此，本發明旨在提出一種高流通能力排氣道設計方法，基于管道流動機理和理論公式提出，設計出的排氣道具有高流通能力，且不局限于特定氣道結構，具有通用性，能夠真正實現氣道的正向設計，滿足高功率密度內燃機的換氣需求。

實現本發明的具體方案如下：

在進行排氣道設計時，主要按照如下步驟進行設計：

1)：將排氣道進口作為最小截面，計算發動機額定工況下，最大排氣門升程時的平均缸內壓力和平均排氣背壓；

2)：將排氣門面積以及1)中得到的平均缸內壓力、平均排氣背壓帶入排氣道出口面積計算公式，計算得到排氣道出口面積；

3)：根據缸蓋的外輪廓尺寸，在滿足加工和密封條件下，取排氣道出口位置盡可能高，即圖1中h盡可能大；

4)：選取排氣道型線類型，然后根據型線設計原則對排氣道型線進行設計，同時在滿足設計原則的條件下，盡可能使排氣道下型線的最小曲率半徑取大值。

進一步的，排氣道出口面積計算公式是按如下過程推導得到：

理論質量流量即理想狀態下流經氣道的質量流量，也是流經氣道實際質量流量所能達到的最大值。在理想狀態下，流動過程沒有任何能量損失，也沒有熱交換，整個過程可逆絕熱，滿足等熵過程方程

式中，p為截面壓力，ρ為氣體密度，k為絕熱指數。

當氣道進口和出口的壓力保持不變，氣道內的氣流運動為穩態流動。由于理想狀態下的流動過程無熱交換，氣道不對外做功，且氣道高度很小，可忽略位能的變化，因此氣道內的氣流運動滿足能量方程

式中，h為某截面上的焓，v為該截面上的速度，h₀為滯止焓。

由焓值計算式及理想氣體狀態方程可知：

式中，c_p為定壓比熱容，T為氣體溫度。

結合式(3)，式(2)可表示為