[发明专利]一种高流通能力排气道设计方法

说明书

本发明提供了一种高流通能力排气道设计方法，该方法是基于管道流动机理和理论公式提出，设计出的排气道具有高流通能力，且不局限于特定气道结构，具有通用性，能够真正实现气道的正向设计，满足高功率密度内燃机的换气需求。

技术领域

本发明属于发动机设计领域，具体涉及一种高流通能力排气道设计方法。

背景技术

内燃机具有热效率高，功率范围大，适应性强等特点，广泛应用于工业、农业及军事等领域。面对当今全球不断恶化的能源与环境形势，节能减排已然成为新一代内燃机的焦点，这就要求其在保证动力性的同时要更加注重经济性和排放。研发高功率密度内燃机是进一步提高内燃机效率、降低CO2排放的主要措施，提高标定转速是实现高功率密度的重要途径之一，但高转速会使充气效率急剧下降，从而导致缸内燃烧状况变差，影响内燃机的动力性、经济性和排放。因此充气效率是高功率密度内燃机的重要指标之一。

进排气系统是内燃机的重要组成部分，其优劣决定了内燃机的充气效率，尤其排气道设计不当时，致使排气过程缸压下降缓慢，排气不畅，增加活塞推出功，降低后续充气效率，所以对排气道有一个良好的设计至关重要。

目前对于排气道的设计，虽然基于CFD仿真方法的优化设计方法替代了传统试验方法，取得了明显的成效，节省了人力、物力，但CFD仿真优化终究属于逆向设计，优化过程难以避免多轮次的尝试，时间的大量消耗依旧在所难免。而且逆向优化虽然能够使排气道流通能力得到改善，但由于没有理论体系的指导，很容易遇到瓶颈，逆向优化会随着排气道流通能力要求的提高逐渐显得力不从心。因此，排气道设计需要一个正向的设计方法。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种高流通能力排气道设计方法，基于管道流动机理和理论公式提出，设计出的排气道具有高流通能力，且不局限于特定气道结构，具有通用性，能够真正实现气道的正向设计，满足高功率密度内燃机的换气需求。

实现本发明的具体方案如下：

在进行排气道设计时，主要按照如下步骤进行设计：

1)：将排气道进口作为最小截面，计算发动机额定工况下，最大排气门升程时的平均缸内压力和平均排气背压；

2)：将排气门面积以及1)中得到的平均缸内压力、平均排气背压带入排气道出口面积计算公式，计算得到排气道出口面积；

3)：根据缸盖的外轮廓尺寸，在满足加工和密封条件下，取排气道出口位置尽可能高，即图1中h尽可能大；

4)：选取排气道型线类型，然后根据型线设计原则对排气道型线进行设计，同时在满足设计原则的条件下，尽可能使排气道下型线的最小曲率半径取大值。

进一步的，排气道出口面积计算公式是按如下过程推导得到：

理论质量流量即理想状态下流经气道的质量流量，也是流经气道实际质量流量所能达到的最大值。在理想状态下，流动过程没有任何能量损失，也没有热交换，整个过程可逆绝热，满足等熵过程方程

式中，p为截面压力，ρ为气体密度，k为绝热指数。

当气道进口和出口的压力保持不变，气道内的气流运动为稳态流动。由于理想状态下的流动过程无热交换，气道不对外做功，且气道高度很小，可忽略位能的变化，因此气道内的气流运动满足能量方程

式中，h为某截面上的焓，v为该截面上的速度，h₀为滞止焓。

由焓值计算式及理想气体状态方程可知：

式中，c_p为定压比热容，T为气体温度。

结合式(3)，式(2)可表示为