一种发动机进气结构设计方法以及发动机进气结构与流程

1.本发明涉及发动机技术领域，特别涉及一种发动机进气结构设计方法以及发动机进气结构。


背景技术：

2.随着发动机功率密度的不断提升、排放法规的不断加严，对发动机进气系统的要求也愈加严格。既要求实现尽可能低的压损以增大进气量、均匀的egr混合以控制排放，也要求各缸一致的进气量以控制各缸爆压。特别是重型天然气发动机，因其燃烧性质原因，各缸循环变动大，对进气系统的要求格外严苛。但目前进气系统设计无法满足如此严苛的要求，优化进气系统设计迫在眉睫。


技术实现要素：

3.本发明的第一个目的在于提供一种发动机进气结构设计方法，以提供一种能够灵活优化发动机进气结构的各项参数的设计方法，使设计出的发动机进气结构充分满足排放指标的要求。
4.本发明的第二个目的在于提供一种基于上述发动机进气结构设计方法设计的发动机进气结构。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种发动机进气结构设计方法，包括步骤：1）构建发动机进气结构的三维模型；2）对所述三维模型的流量系数、涡流比、滚流比以及混合均匀性进行cfd分析，获取理论流量系数、理论涡流比、理论滚流比以及理论混合均匀性结果；3）将所述三维模型制成发动机进气结构实物，并对发动机进气结构实物进行吹风试验以及混合均匀性试验，以获得实际流量系数、实际涡流比、实际滚流比以及实际混合均匀性结果；4）将理论流量系数、理论涡流比、理论滚流比以及理论混合均匀性结果与实际流量系数、实际涡流比、实际滚流比以及实际混合均匀性结果进行比对判断是否吻合，若不吻合，则针对流量系数、涡流比、滚流比以及混合均匀性对三维模型进行工作参数形貌优化，若吻合，则判断三维模型的可靠性是否符合要求，若三维模型的可靠性符合要求，则发动机进气结构设计完成，若三维模型的可靠性不符合要求，则对三维模型进行可靠性参数形貌优化，直至三维模型的可靠性符合要求。
6.可选地，所述工作参数形貌优化包括混合形貌优化、一致性形貌优化以及体积形貌优化。
7.可选地，所述混合形貌优化包括使用折返式进气管、增大进气管路长度、采用先提升后下冲式进气管、增加弯管、混合器改动、进气管路接口改动、管路朝向改动、管路内径改动和内置扰流片。
8.可选地，所述混合形貌优化还包括进气道改动以及缸盖底面形状改动。
9.可选地，所述进气道改动包括改为涡流进气道以及改为滚流进气道。
10.可选地，所述缸盖底面形状改动包括改为平顶形缸盖底面以及改为棚顶形缸盖底面。
11.可选地，所述一致性形貌优化包括消除螺栓避让槽、缸盖接口改动、进气腔平顺化、增加导流结构和增加进气歧管长度。
12.可选地，所述体积形貌优化包括消除无用体积和管路直径过渡优化。
13.可选地，所述可靠性参数形貌优化包括调整壁厚、更改材料、调整螺栓以及调整加工工艺。
14.一种发动机进气结构，所述发动机进气结构采用如上任意一项所述的发动机进气结构设计方法设计。
15.由以上技术方案可以看出，本发明中公开了一种发动机进气结构设计方法，该发动机进气结构设计方法包括步骤：1）构建发动机进气结构的三维模型；2）对所述三维模型的流量系数、涡流比、滚流比以及混合均匀性进行cfd分析，获取理论流量系数、理论涡流比、理论滚流比以及理论混合均匀性结果；3）将所述三维模型制成发动机进气结构实物，并对发动机进气结构实物进行吹风试验以及混合均匀性试验，以获得实际流量系数、实际涡流比、实际滚流比以及实际混合均匀性结果；4）将理论流量系数、理论涡流比、理论滚流比以及理论混合均匀性结果与实际流量系数、实际涡流比、实际滚流比以及实际混合均匀性结果进行比对判断是否吻合，若不吻合，则针对流量系数、涡流比、滚流比以及混合均匀性对三维模型进行工作参数形貌优化，若吻合，则判断三维模型的可靠性是否符合要求，若三维模型的可靠性符合要求，则发动机进气结构设计完成，若三维模型的可靠性不符合要求，则对三维模型进行可靠性参数形貌优化，直至三维模型的可靠性符合要求；上述发动机进气结构设计方法通过仿真试验对标提升仿真精度，综合考虑管路的混合均匀性、各缸一致性、响应性，使管路性能达到综合最优，从而能够全面评价进气结构性能指标，在设计过程中，能够实时根据对比结果灵活优化发动机进气结构的各项参数，从而保证设计获得的发动机进气结构能够充分满足排放指标的要求。
16.本发明还公开了一种发动机进气结构，该发动机进气结构采用上述发动机进气结构设计方法进行设计，由于该发动机进气结构采用了上述发动机进气结构设计方法进行设计，因此发动机进气结构理应具有与发动机进气结构设计方法相同的有益效果，在此不再赘述。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例提供的发动机进气结构设计方法的流程图；图2为柴油机的进气结构优化前的结构示意图；图3为柴油机的进气结构优化前的进气道的结构示意图；
图4为采用本发明实施例提供的发动机进气结构设计方法将涡流进气道优化为滚流进气道后的结构示意图；图5为采用本发明实施例提供的发动机进气结构设计方法优化后的滚流进气道的结构示意图；图6为采用本发明实施例提供的发动机进气结构设计方法优化进气接管后的发动机进气结构的结构示意图；图7为采用本发明实施例提供的发动机进气结构设计方法优化进气接管的混合段长度后的发动机进气结构的结构示意图；图8为采用本发明实施例提供的发动机进气结构设计方法优化进气接管的体积后的发动机进气结构的结构示意图；图9为采用本发明实施例提供的发动机进气结构设计方法优化混合器位置后的发动机进气结构的结构示意图；图10为采用本发明实施例提供的发动机进气结构设计方法优化混合器位置前的进气弯管的结构示意图；图11为采用本发明实施例提供的发动机进气结构设计方法优化混合器位置后的进气弯管的结构示意图。
19.图中：1为稳压壳；2为进气接管；3为涡流进气道；4为滚流进气道；5为副稳压壳；6为混合器；7为进气弯管。
具体实施方式
20.本发明的核心之一是提供一种发动机进气结构设计方法，以提供一种能够灵活优化发动机进气结构的各项参数的设计方法，使设计出的发动机进气结构充分满足排放指标的要求。
21.本发明的另一核心在于提供一种基于上述发动机进气结构设计方法的发动机进气结构。
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.请参阅图1，图1为本发明实施例提供的发动机进气结构设计方法的流程图。
24.本发明实施例中公开了一种发动机进气结构设计方法，该发动机进气结构设计方法包括步骤：1）构建发动机进气结构的三维模型；2）对所述三维模型的流量系数、涡流比、滚流比以及混合均匀性进行cfd分析，获取理论流量系数、理论涡流比、理论滚流比以及理论混合均匀性结果；3）将所述三维模型制成发动机进气结构实物，并对发动机进气结构实物进行吹风试验以及混合均匀性试验，以获得实际流量系数、实际涡流比、实际滚流比以及实际混合均匀性结果；
4）将理论流量系数、理论涡流比、理论滚流比以及理论混合均匀性结果与实际流量系数、实际涡流比、实际滚流比以及实际混合均匀性结果进行比对判断是否吻合，若不吻合，则针对流量系数、涡流比、滚流比以及混合均匀性对三维模型进行工作参数形貌优化，若吻合，则判断三维模型的可靠性是否符合要求，若三维模型的可靠性符合要求，则发动机进气结构设计完成，若三维模型的可靠性不符合要求，则对三维模型进行可靠性参数形貌优化，直至三维模型的可靠性符合要求。
25.可以看出，与现有技术相比，本发明实施例提供的发动机进气结构设计方法通过仿真试验对标提升仿真精度，综合考虑管路的混合均匀性、各缸一致性、响应性，使管路性能达到综合最优，从而能够全面评价进气结构性能指标，在设计过程中，能够实时根据对比结果灵活优化发动机进气结构的各项参数，从而保证设计获得的发动机进气结构能够充分满足排放指标的要求。
26.具体地，在本发明实施例中，上述工作参数形貌优化包括混合形貌优化、一致性形貌优化以及体积形貌优化。
27.具体地，上述混合形貌优化包括使用折返式进气管、增大进气管路长度、采用先提升后下冲式进气管、增加弯管、混合器改动、进气管路接口改动、管路朝向改动、管路内径改动和内置扰流片。
28.进一步地，上述混合形貌优化还包括进气道改动以及缸盖底面形状改动。
29.具体地，在本发明实施例中，进气道改动包括改为涡流进气道以及改为滚流进气道。
30.具体地，在本发明实施例中，缸盖底面形状改动包括改为平顶形缸盖底面以及改为棚顶形缸盖底面。
31.优选地，上述一致性形貌优化包括消除螺栓避让槽、缸盖接口改动、进气腔平顺化、增加导流结构、增加进气歧管长度。
32.作为有选地，上述体积形貌优化包括消除无用体积和管路直径过渡优化。
33.作为优选地，上述可靠性参数形貌优化包括调整壁厚、更改材料、调整螺栓以及调整加工工艺。
34.本发明实施例还提供了一种发动机进气结构，该发动机进气结构采用如上述实施例所述的发动机进气结构设计方法设计，由于该发动机进气结构采用上述发动机进气结构设计方法设计，由此该发动机进气结构的技术效果请参考上述实施例。
35.具体地，下面以气体机棚顶进气系统优化设计为例，介绍本案的发动机进气结构设计方法。
36.如图2和图3所示，图2为柴油机的进气结构优化前的结构示意图，图3为柴油机的进气结构优化前的进气道的结构示意图，基于上述发动机进气结构设计方法，首先将涡流进气道3改为滚流进气道4，且缸盖底面由平顶形缸盖底面改为棚顶形缸盖底面，如图4和图5所示，图4为采用本发明实施例提供的发动机进气结构设计方法将涡流进气道优化为滚流进气道后的结构示意图，图5为采用本发明实施例提供的发动机进气结构设计方法优化后的滚流进气道的结构示意图。由柴油机直接更改过来的气体机结构，其气道为涡流气道，缸盖底面为平顶结构，气体机的燃烧模式为预混燃烧，不需要涡流进气将缸内的燃油与空气进行扰动混合，而且气体机中存在涡流这种大尺寸流动，在压缩末期、火花塞附近流速偏
低，纵向流速也偏低，涡流无法破碎成小尺度湍流，导致湍动能较低。而是需要一定的滚流，加快缸内气体流动，增加燃烧过程中缸内湍动能。湍动能的提升会加快火焰传播速度，改善气体机燃烧过程，降低循环变动。由平顶改为棚顶，更利于缸内滚流的形成，且压缩过程中滚流不会消失。而且棚顶式滚流进气系统对气体来流方向不敏感，各缸涡流比一致性得到较大改善，将原有进气接管2改为连接于稳压壳1的中部。
37.接着如图6所示，就是去掉无用容积，增加混合段长度。无用容积的存在，会使得进入缸内的气流较乱，且无用容积处基本为流动死区。再者，无用容积的存在，会增加稳压壳1的容积，影响进气响应性。通过去掉无效容积，使得进入各缸的气流更为顺畅，且进气响应性提升较大。进气接管2改为上翻再下冲，增加了混合段长度，且气体在管内进一步扰动，混合均匀性得到改善。
38.再接着就是进一步增加混合长度。想进一步增加混合段长度，传统的方法是采用一端进气，由于整机布置的限制，现有边界下采用一端进气会造成进气直冲一缸的现象，会使得各缸涡流比一致性变差，故而只能采用中间进气的形式。如图7所示，将进气接管2设计成绕至后端再折返回中间的形式，增加了混合段长度，混合均匀性得到很大的改善，且完美的避开了整机布置的限制，进气接管2折返回中间后通过副稳压壳5与稳压壳1连接。
39.接下来是进一步减小进气结构体积。过大的体积会导致响应性下降。将绕行距离缩短，且进气接管2的弯管处采用等直径过渡，副稳压壳5与进气接管2更为随型，如图8所示，减小了进气系统的体积，响应性得到提升。
40.最后是混合器6后移。得益于进气接管2的绕行加长，混合器6模块布置的限制范围变宽，混合器6的位置可以后移，混合器6前的进气弯管7的坡度可以减缓，压损可以明显减小，如图9至图11所示。
41.需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
42.应当理解，本技术中如若使用了“系统”、“装置”、“单元”和/或“模块”，仅是用于区分不同级别的不同组件、元件、部件、部分或装配的一种方法。然而，如果其他词语可实现相同的目的，则可通过其他表达来替换该词语。
43.如本技术和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其它的步骤或元素。由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
44.其中，在本技术实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，a/b可以表示a或b；本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，在本技术实施例的描述中，“多个”是指两个或多于两个。
45.以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
46.本技术中如若使用了流程图，则该流程图是用来说明根据本技术的实施例的系统
所执行的操作。应当理解的是，前面或后面操作不一定按照顺序来精确地执行。相反，可以按照倒序或同时处理各个步骤。同时，也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。
47.还需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
48.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。