低速发动机气缸盖进排气道结构及其优化方法

低速发动机气缸盖进排气道结构及其优化方法
【专利摘要】本发明公开了一种低速发动机气缸盖进排气道结构及其优化方法，进气入口中心位置不变，仅改变入口管径，进气出口中心位置不变，仅改变出口管径，即是改变进气道进气段、进气道出气段、排气道进气段和排气道出气段的直径，同时通过建模、数值模拟、修模和仿真分析等步骤对进排气道进行优化，使气道流向型线尽可能光滑，从而使得进、排气道的直径减小到合理的数值，增大气体流过气道时的流速，提高了燃烧室中滚流比，增大燃烧速率。
【专利说明】低速发动机气缸盖进排气道结构及其优化方法
【技术领域】
[0001]本发明属于发动机【技术领域】，具体地说，尤其涉及一种低速发动机气缸盖进排气道结构及其优化方法。
【背景技术】
[0002]进排气道是进排气系统与发动机连接的最终环节，高速发动机与低速发动机对进排气道的要求也不相同。对于高速气道，我们希望得到更大的气道流量，而对于低速气道，由于气流速度低，我们希望在低速时提升气流速度，改善气流组织，加强缸内流动，增大燃烧速率。而目前低速发动机因其扭矩大，起步容易等优点得到较广泛的使用，现有的低速发动机进排气道由于设计的原因，造成气流的流动不畅，从而大大的影响了燃烧速率和效率。

【发明内容】

[0003]本发明目的在于提供一种提高燃烧室中滚流比，增大燃烧速率的低速发动机气缸盖进排气道结构及其优化方法。
[0004]为达到上述目的，本发明提供一种低速发动机气缸盖进排气道结构，包括在气缸盖上设置的进气道和排气道，其要点是:所述进气道从外至内由进气道进气段、进气道过渡段和进气道出气段依次连接而成，其中进气道进气段为直径外大内小的喇叭口，所述进气道出气段为直径外小内大的喇叭口，且所述进气道进气段小直径端的直径大于所述进气道出气段小直径端的直径，所述进气道进气段与进气道过渡段的连接为圆滑过渡，所述进气道出气段与进气道过渡段的连接为圆滑过渡；
[0005]所述排气道从内至外由排气道进气段、排气道过渡段和排气道出气段依次连接而成，其中所述排气道进气段为直径外小内大的喇叭口，所述排气道出气段为直径外大内小的喇叭口，所述排气道进气段与排气道过渡段的连接为圆滑过渡，所述排气道出气段与排气道过渡段的连接为圆滑过渡。
[0006]采用以上结构，进气入口中心位置不变，仅改变入口管径，进气出口中心位置不变，仅改变出口管径，即是改变进气道进气段、进气道出气段、排气道进气段和排气道出气段的直径，同时，使气道流向型线尽可能光滑，从而使得进、排气道的直径减小到合理的数值，增大气体流过气道时的流速，提高了燃烧室中滚流比，增大燃烧速率。
[0007]所述进气道出口处设置有进气道座圈安装座，在该进气门座圈安装座内安装进气道座圈，所述进气道座圈内腔构成所述进气道出气段，该进气道座圈内壁与所述排气道过渡段的连接为圆滑过渡。采用以上结构，直接对进气门座圈与进气道结构进行设计，增强进气道的圆滑度，减少进气门座圈对气流的影响。
[0008]所述进气道进气段截面呈锥形，该进气道进气段的锥度为30°，该进气道进气段大径端的直径为23cm ;所述进气道出气段截面呈锥形，该进气道进气段的锥度为90°，该进气道进气段大径端的直径为30cm。采用以上结构，对进气道进气段和进气道出气段的设计可以减少进气的阻碍，进气道进气段截面设计成锥形，便于气体的进入，而进气道出气段设计成锥形，便于气体的进入燃烧室，在燃烧室内形成滚流，从而提高燃烧效率。
[0009]气缸盖上设置的进气道导孔的出口位于所述进气道过渡段。
[0010]所述排气道进口处设置有排气道座圈安装座，在该排气道座圈安装座内安装排气道座圈，所述排气道座圈内腔构成所述排气道出气段，该排气道座圈内壁与所述排气道过渡段的连接为圆滑过渡。采用以上结构，直接对排气道座圈与排气道结构进行设计，增强排气道的圆滑度，减少排气门座圈对气流的影响，从而能够将气体无阻碍的流出。
[0011]所述排气道进气段截面呈锥形，该排气道进气段的锥度为90°，该排气道进气段大径端的直径为24cm。采用以上设计，气体被无阻碍排出。
[0012]气缸盖上设置的排气道导孔的出口位于所述排气道过渡段，在靠近该排气道导孔出口内侧的排气道过渡段内壁向外凹陷，在靠近该排气道导孔出口外侧的排气道过渡段内壁向内突出。采用以上结构，为了使气流从出气门导管无阻碍排出，靠近该排气道导孔出口内侧的排气道过渡段内壁向外凹陷；由于出气门导管的存在，故而燃烧室内气体排出时会受到出气门导管的阻碍，使得被阻碍的气流反射到排气道的外壁上，此时在靠近该排气道导孔出口外侧的排气道过渡段内壁向内突出，该突出部能够将反射的气流再次反射后从排气道排出，减少台阶湍流。
[0013]一种低速发动机气缸盖进排气道结构的优化方法，其特征在于包括如下步骤:
[0014]步骤一、建模:建立进气道和排气道模型，同时在进气道导孔和排气道导孔中分别安装进气门导管和排气门导管，在进气道座圈安装座和排气道座圈安装座中分别安装所述进气道座圈和排气道座圈；建立与进气道和排气道相关的部件，是为了更好的模拟现实情况下出进气道和排气道中的流场情况，以便能够准确的对进气道和排气道进行修整。
[0015]步骤二、数值模拟:对进气道和排气道模型进行流场的数值模拟，得到进气道和排气道的流场图谱，从而为进气道和排气道的修模提供原始数据，能够了解此时燃烧室内的滚流比和燃烧速率，并寻找出需要修整的地方。
[0016]步骤三、修模:根据步骤二得到的进气道和排气道的流场图谱对所述进气道和排气道进行修整，对影响进气道和排气道中流场的地方进行调整；根据气道优化原理进行修整:一是使气道流向型线尽可能光滑，曲率半径尽可能大，减小气体流动损失；二是进、排气道的直径减小到合理的数值，目的是增大气体流过气道时的流速，提高燃烧室中滚流比，增大燃烧速率。
[0017]步骤四、仿真分析:对步骤三调整后的进气道和排气道生成3D模型，做CFD仿真分析，确保修整后的进气道和排气道流量系数与滚流比处在较好的水平，不符合要求的再返回步骤三进行修整，直到符合要求为止。
[0018]步骤三中对进气道和排气道的修整步骤如下:
[0019]a)对进气道进行修整:进气道的进气入口中心位置不变，仅改变入口管径，进气出口中心位置不变，仅改变出口管径，这样确定好进气道进出口空间形状后，在上下左右做四条样条曲线控制进气道的从进口到出口的过渡形状，每条样条曲线上定义9个点控制样条曲线，首先应在进气门导管处布置多点控制好与进气门导管之间的过渡形状，其次应在进气道出口端布置多点控制进气道与燃烧室之间的过度，四条样条曲线均为高阶连续；
[0020]b)对排气道进行修整:排气道的排气入口中心位置不变，仅改变入口管径，出气出口中心位置不变，仅改变出口管径，这样确定好排气道排出口空间形状后，在上下左右做四条样条曲线控制排气道的从进口到出口的过渡形状，每条样条曲线上定义9个点控制样条曲线，首先应在排气道进口端布置多点控制排气道与燃烧室之间的过度，其次应在排气门导管处布置多点控制好与排气门导管之间的过渡形状，下方的样条曲线曲率半径尽可能大，减少气体流动损失。
[0021]对所述进气道和排气道的修整应使气道流向型线为光滑过渡，且尽可能光滑，曲率半径尽可能大，减小气体流动损失；进气道和排气道的直径减小到合理的数值，增大气体流过气道时的流速，提高燃烧室中滚流比，增大燃烧速率。
[0022]本发明的有益效果是:提升气流速度，改善气流组织，加强缸内流动，增大燃烧速率。
【专利附图】

【附图说明】
[0023]图1为低速发动机气缸盖进排气道结构的结构示意图；
[0024]图2为低速发动机气缸盖进排气道结构的优化方法流程图；
[0025]图3为原发动机气缸盖进排气道的模拟流场截图；
[0026]图4为本发明发动机气缸盖进排气道的模拟流场截图；
[0027]图5为原来和优化后的发动机气缸盖进排气道模拟滚流比截图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明:
[0029]如图1所示的一种低速发动机气缸盖进排气道结构，包括在气缸盖上设置的进气道I和排气道2，所述进气道I从外至内由进气道进气段11、进气道过渡段12和进气道出气段13依次连接而成，其中进气道进气段11为直径外大内小的喇叭口，所述进气道出气段13为直径外小内大的喇叭口，且所述进气道进气段11小直径端的直径大于所述进气道出气段13小直径端的直径，所述进气道进气段11与进气道过渡段12的连接为圆滑过渡，所述进气道出气段13与进气道过渡段12的连接为圆滑过渡；所述排气道2从内至外由排气道进气段21、排气道过渡段22和排气道出气段23依次连接而成，其中所述排气道进气段21为直径外小内大的喇叭口，所述排气道出气段23为直径外大内小的喇叭口，所述排气道进气段21与排气道过渡段22的连接为圆滑过渡，所述排气道出气段23与排气道过渡段22的连接为圆滑过渡。
[0030]在图1中还可以看出:所述进气道I出口处设置有进气道座圈安装座14，在该进气门座圈安装座14内安装进气道座圈3，所述进气道座圈3内腔构成所述进气道出气段13，该进气道座圈3内壁与所述排气道过渡段22的连接为圆滑过渡，所述进气道进气段11截面呈锥形，该进气道进气段11的锥度为30°，该进气道进气段11大径端的直径为23cm ；所述进气道出气段13截面呈锥形，该进气道进气段11的锥度为90°，该进气道进气段11大径端的直径为30cm。
[0031]气缸盖上设置的进气道导孔15的出口位于所述进气道过渡段12。
[0032]请参见图1:所述排气道2进口处设置有排气道座圈安装座24，在该排气道座圈安装座24内安装排气道座圈4，所述排气道座圈4内腔构成所述排气道出气段23，该排气道座圈4内壁与所述排气道过渡段22的连接为圆滑过渡，所述排气道进气段21截面呈锥形，该排气道进气段21的锥度为90°，该排气道进气段21大径端的直径为24cm，气缸盖上设置的排气道导孔25的出口位于所述排气道过渡段22，在靠近该排气道导孔25出口内侧的排气道过渡段22内壁向外凹陷，在靠近该排气道导孔25出口外侧的排气道过渡段22内壁向内突出。
[0033]请参见图2:—种低速发动机气缸盖进排气道结构的优化方法，其特征在于包括如下步骤:
[0034]步骤一、建模:建立进气道I和排气道2模型，同时在进气道导孔15和排气道导孔25中分别安装进气门导管16和排气门导管26，在进气道座圈安装座14和排气道座圈安装座24中分别安装所述进气道座圈3和排气道座圈4 ；
[0035]步骤二、数值模拟:对进气道I和排气道2模型进行流场的数值模拟，得到进气道I和排气道2的流场图谱；
[0036]步骤三、修模:根据步骤二得到的进气道I和排气道2的流场图谱对所述进气道I和排气道2进行修整，对影响进气道I和排气道2中流场的地方进行调整，具体是:
[0037]a)对进气道I进行修整:进气道I的进气入口中心位置不变，仅改变入口管径，进气出口中心位置不变，仅改变出口管径，这样确定好进气道I进出口空间形状后，在上下左右做四条样条曲线控制进气道I的从进口到出口的过渡形状，每条样条曲线上定义9个点控制样条曲线，首先应在进气门导管16处布置多点控制好与进气门导管16之间的过渡形状，可以选择4个点，其次应在进气道I出口端布置多点控制进气道I与燃烧室之间的过度，可以选择3个点，四条样条曲线均为高阶连续；
[0038]b)对排气道2进行修整:排气道2的排气入口中心位置不变，仅改变入口管径，出气出口中心位置不变，仅改变出口管径，这样确定好排气道2排出口空间形状后，在上下左右做四条样条曲线控制排气道2的从进口到出口的过度形状，每条样条曲线上定义9个点控制样条曲线，首先应在排气道2进口端布置多点控制排气道2与燃烧室之间的过度，可以选择4个点，其次应在排气门导管26处布置多点控制好与排气门导管26之间的过度形状，可以选择3个点。
[0039]步骤四、仿真分析:对步骤三调整后的进气道I和排气道2生成3D模型，做CFD仿真分析，确保修整后的进气道I和排气道2流量系数与滚流比处在较好的水平，不符合要求的再返回步骤三进行修整，直到符合要求为止。
[0040]对所述进气道I和排气道2的修整应使气道流向型线为光滑过渡。
[0041]请参见图3、图4和图5:从流场分析可以看出，优化设计后的新气道，流动速度明显增加，滚流比也明显增大，这将大大改善混合气在缸内的湍流运动，提高燃烧速率。
[0042]原机状态:10.34Nm/6500rpm, 7.94kw/8500rpm
[0043]低速机性能:10.86Nm/3500rpm, 7.19Kw/7000rpm。
【权利要求】
1.一种低速发动机气缸盖进排气道结构，包括在气缸盖上设置的进气道(I)和排气道(2)，其特征在于:所述进气道(I)从外至内由进气道进气段(11)、进气道过渡段(12)和进气道出气段(13)依次连接而成，其中进气道进气段(11)为直径外大内小的喇叭口，所述进气道出气段(13)为直径外小内大的喇叭口，且所述进气道进气段(11)小直径端的直径大于所述进气道出气段(I 3 )小直径端的直径，所述进气道进气段(11)与进气道过渡段(12)的连接为圆滑过渡，所述进气道出气段(13)与进气道过渡段(12)的连接为圆滑过渡；所述排气道(2)从内至外由排气道进气段(21)、排气道过渡段(22)和排气道出气段(23)依次连接而成，其中所述排气道进气段(21)为直径外小内大的喇叭口，所述排气道出气段(23)为直径外大内小的喇叭口，所述排气道进气段(21)与排气道过渡段(22)的连接为圆滑过渡，所述排气道出气段(23)与排气道过渡段(22)的连接为圆滑过渡。
2.根据权利要求1所述的低速发动机气缸盖进排气道结构，其特征在于:所述进气道(I)出口处设置有进气道座圈安装座(14)，在该进气门座圈安装座(14)内安装进气道座圈(3)，所述进气道座圈(3)内腔构成所述进气道出气段(13)，该进气道座圈(3)内壁与所述进气道过渡段(12)的连接为圆滑过渡。
3.根据权利要求1或2所述的低速发动机气缸盖进排气道结构，其特征在于:所述进气道进气段(11)截面呈锥形，该进气道进气段(11)的锥度为30°，该进气道进气段(11)大径端的直径为23cm;所述进气道出气段(13)截面呈锥形，该进气道进气段(11)的锥度为90°，该进气道进气段(11)大径端的直径为30cm。
4.根据权利要求3所述的低速发动机气缸盖进排气道结构，其特征在于:气缸盖上设置的进气道导孔(15 )的出口位于所述进气道过渡段(12)。·
5.根据权利要求4所述的低速发动机气缸盖进排气道结构，其特征在于:所述排气道(2 )进口处设置有排气道座圈安装座(24 )，在该排气道座圈安装座(24 )内安装排气道座圈(4)，所述排气道座圈(4)内腔构成所述排气道出气段(23)，该排气道座圈(4)内壁与所述排气道过渡段(22)的连接为圆滑过渡。
6.根据权利要求5所述的低速发动机气缸盖进排气道结构，其特征在于:所述排气道进气段(21)截面呈锥形，该排气道进气段(21)的锥度为90°，该排气道进气段(21)大径端的直径为24cm。
7.根据权利要求6所述的低速发动机气缸盖进排气道结构，其特征在于:气缸盖上设置的排气道导孔(25)的出口位于所述排气道过渡段(22)，在靠近该排气道导孔(25)出口内侧的排气道过渡段(22)内壁向外凹陷，在靠近该排气道导孔(25)出口外侧的排气道过渡段(22)内壁向内突出。
8.—种如权利要求7所述的低速发动机气缸盖进排气道结构的优化方法，其特征在于包括如下步骤: 步骤一、建模:建立进气道(I)和排气道(2)模型，同时在进气道导孔(15)和排气道导孔(25)中分别安装进气门导管(16)和排气门导管(26)，在进气道座圈安装座(14)和排气道座圈安装座(24)中分别安装所述进气道座圈(3)和排气道座圈(4)； 步骤二、数值模拟:对进气道(I)和排气道(2)模型进行流场的数值模拟，得到进气道(I)和排气道(2)的流场图谱；步骤三、修模:根据步骤二得到的进气道(I)和排气道(2)的流场图谱对所述进气道(I)和排气道(2)进行修整，对影响进气道(I)和排气道(2)中流场的地方进行调整； 步骤四、仿真分析:对步骤三调整后的进气道(I)和排气道(2)生成3D模型，做CFD仿真分析，确保修整后的进气道(I)和排气道(2 )流量系数与滚流比处在较好的水平，不符合要求的再返回步骤三进行修整，直到符合要求为止。
9.根据权利要求8所述的低速发动机气缸盖进排气道结构的优化方法，其特征在于:步骤三中对进气道(I)和排气道(2)的修整步骤如下: a)对进气道(I)进行修整:进气道(I)的进气入口中心位置不变，仅改变入口管径，进气出口中心位置不变，仅改变出口管径，这样确定好进气道(I)进出口空间形状后，在上下左右做四条样条曲线控制进气道(I)的从进口到出口的过渡形状，每条样条曲线上定义9个点控制样条曲线，首先应在进气门导管(16)处布置多点控制好与进气门导管(16)之间的过渡形状，其次应在进气道(I)出口端布置多点控制进气道(I)与燃烧室之间的过度，四条样条曲线均为高阶连续； b)对排气道(2)进行修整:排气道(2)的排气入口中心位置不变，仅改变入口管径，出气出口中心位置不变，仅改变出口管径，这样确定好排气道(2)排出口空间形状后，在上下左右做四条样条曲线控制排气道(2)的从进口到出口的过度形状，每条样条曲线上定义9个点控制样条曲线，首先应在排气道(2)进口端布置多点控制排气道(2)与燃烧室之间的过渡，其次应在排气门导管(26)处布置多点控制好与排气门导管(26)之间的过渡形状。
10.根据权利要求9所述的低速发动机气缸盖进排气道结构的优化方法，其特征在于:对所述进气道(I)和排气道(2)的修整应使气道流向型线为光滑过渡。
【文档编号】F02F1/42GK103573461SQ201310551597
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月8日 优先权日:2013年11月8日
【发明者】王敬, 王勇, 王腾, 周敏, 邢峰, 曹建国 申请人:重庆工商职业学院