1柴油机进气道流通特性的分析与设计

。采用镶圈式气门座， 其优点在于可使用较好
的材料， 过度磨损后可更换， 使用方便和耐久， 但其 导热性能相对变差。 1. 2 缸盖螺栓布置 已知柴油机选取的缸套直径 D ＞ 100mm， 故采 用六螺栓布置方式。同时保证每相邻两个缸盖螺栓 中心连线不贯穿缸套， 以免在螺栓紧固力作用下发 生缸孔变形， 确保密封可靠性。 缸盖螺栓分布及位 置和喷油器安装位置是限制进排气道空间的主要因 素， 也是进气道设计时须考虑的约束条件。 如图 4 所示， 螺栓绕气缸中心线均匀分布， 可避免气缸受力 不均而使局部变形过大， 使气缸垫片压紧力更均匀， 可降低漏气的可能性。螺栓的布置应尽量向气缸中 心线靠拢， 但太近会引起缸套上部的变形过大 。
进气道起着十分重要的作用。设计进气道和排气道 是一个单调且反复的过程， 首先是涉及到复杂曲面 CAD 模型的创建， 然后根据模型制作芯盒并进行稳 流测试。为达到理想的涡流比和空气流量， 通常须 对芯盒几何模型进行反复修正， 但气道石膏模型的 设计更改不能反映到 CAD 模型中， 除非表面几何形
* 云南省科技强省计划项目（ 2007AD005 ） 和云南省应用基础研究基金项目（ 2009ZC036M） 资助。 原稿收到日期为 2011 年 2 月 25 日， 修改稿收到日期为 2011 年 10 月 12 日。
关键词： 柴油机； 进气道； 流通特性； 正向设计
Flow Characteristic Analysis and Inlet Design of Diesel Engine
He Changming1 ，Xu Sichuan1 ，Shen Lizhong2 ，Bi Yuhua2 ＆ Chang Guofeng1
（Baidu Nhomakorabea5）
(
h sin2 α 2
)
（ 2）
函数 ψ（ λ ） 表达式中虽然有 λ 的二次项， 但仍 很接近线性关系。当气门锥角为 45° ， λ ＜ 0. 4 时， 函 数 ψ（ λ ） 随 λ 而变化的关系曲线如图 3 所示。 由图 3 可知， ψ（ λ ） 随着 λ 增加而增大， 这表明当气门升 程取值范围确定后， 气门喉口直径 d h 越大， 气道面 积利用率越低。 考虑到实际限制约束， 如惯性载荷 及气门与活塞间干涉， 一般进气门的参数 λ i = 0. 26 ～ 0. 28 ； 通常二气门柴油机的排气门喉口直径小于 进气门喉口直径， 且不存在气门与活塞的干涉问题。 因此， 排气门的 λ 参数值要比进气门大一些， λo = 0. 30 ～ 0. 35［4 － 5］。 一般进气门直径 d i 在空间允许的情况下应尽 d i 取值范围为 0. 32 D ～ 0. 5 D（ D 为缸径） 。 可能大些，
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量的预热影响， 普遍采用将进排气道分别布置于气 缸盖两侧端面的设计方案。由于本机型属于卧式两 在总体布置上将凸轮轴置于排气侧 ， 而喷 缸柴油机， 油器和喷油泵置于进气侧。布置气门时还应考虑如 下因素的限制： （ 1 ） 进气门和排气门头部直径间隙； （ 2 ） 进气门和排气门头部 直 径 与 喷 油 器 安 装 孔 间 隙； （ 3 ） 进气门头部直径到缸壁间隙和排气门头部 直径到缸壁间隙。
2. 云南省内燃机重点实验室， 昆明 650233 ）
［ 摘要］ 选取 UG 和 Matlab 软件作为进气道开发平台； 通过引入表征气道面积利用率的函数分析了气门喉口 处的流通特性； 并应用正向设计方法直接得到了进气道 CAD 实体模型。由于正向设计方法增加了缸盖设计方案选 择的多样性， 为缸盖冷却水套流场优化和机械强度校核提供了更富余的调整空间 。
图5
气道定位参数示意图
2. 2
进气道 CAD 模型的建立
图4
螺栓布置方案
大多数研究是采用截面曲线序列描述进气道几 何外形 结 构， 依据各种曲面计算方法生成气道曲 ［7 － 9 ］ 。由于点和线是构成曲面的前提条件， 面 由此 可知， 创建气道 CAD 模型时其难度在于如何方便快 捷地构建气道空间点集或曲线簇 。 本文中采用螺线 方程作为数学模型， 将螺旋进气道分成螺旋段和直 流段分别进行处理。
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1. 1
流通特性分析及布置方案
无量纲评价参数的建立 由于气门是在高温、 高压和动载荷等恶劣环境
α 值。在某一气门升程 h0 下， 流通截面积随气门锥 2 ， 角 α 的变化趋势如图 所示 由 fminbnd 函数求得 流通截面积 f s 在气门锥角 α ≈12. 8° 时取得最大值 f smax 。尽管气门锥角取较小值时可获得较大气体流 通截面积， 但该公式适用范围较窄。 随着气门升程 气门锥角对气体流动影响减小， 故现代非增 的增加， 压内燃机上一般选取 α = 45° 作为折中方案。
其形状受局部空间很大限制。 在传统柴油机开 域， 往往优先考虑进气道在缸盖上的 发和设计过程中， 结构布置， 然后依据进气道设计气门和选择缸径尺 寸， 并确定气道与缸盖的相对位置。 这种以气道为 中心的缸盖设计概念限制了结构参数的多重选择。 由于气道性能对其几何外形变化十分敏感， 为了兼 顾进气道性能， 许多缸盖设计方案均难以实际应用 。 本文中根据柴油机开发已有经验和统计数据， 先确定柴油机的缸径、 气门头大小和缸盖螺栓布置 方案， 尤其考虑了进气道可利用的空间大小 ， 最后采 用进气道正向设计方法。与非传统逆向工程方法相 比， 该设计过程未借助任何气道原始模型 ， 使缸盖设 计更能灵活多变， 为全面优化缸盖整体性能提供了 必要条件。
前言
实现柴油机进气道几何形状、 燃油喷射参数、 燃 烧室形状、 压缩比和废气再循环之间的精确匹配是
［1 ］ 一项艰巨的任务 。目前多数柴油机均采用直喷式 燃烧室、 电控系统、 涡轮增压中冷、 高压燃油喷射、 低 ［2 － 3 ］ ， 涡流进气系统和废气后处理等技术 以满足国 。 家排放法规要求 在优化和提升发动机性能方面，
必须具备耐高温、 耐腐蚀和磨损等特性。 从 下工作， 气门开启至关闭的时间段内， 若气门开启的流通截 一般其流通能力也就越大。 在任意气门 面积越大， 升程下将 f s 定义为气门喉口位置气流通道的最小截 面积。气门喉口位置结构尺寸如图 1 所示。
图2
流通截面积极大值分布观察图
由式（ 2 ） 可知， 气门锥角确定时， 流通截面积 f s 还与气门升程 h 和气门喉口直径 d h 有关， 但对不同 功率发动机而言， 其二者取值范围差异明显。 为了 引入无量 衡量不同机型气门座圈位置的流通能力， 纲评价参数 λ ， 表示气门升程 h 和 d h 的比值， 即 （ 4） λ = h / dh 将气门流通截面积 f s 与气道面积 A h （ 其直径为 气门喉口直径 d h ） 的比值定义为函数 ψ （ λ ） ， 用来表 征气道面积利用率， 即 f s 4 πhcosα（ d h + 0. 5 hsin2 α） = ψ（ λ ） = = 2 Ah πd h 4 λ cosα（ 1 + 0. 5 λ sin2 α）
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汽 车 工 程 Automotive Engineering
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柴油机进气道流通特性的分析与设计
1 1 2 2 1 何常明 ， 许思传 ， 申立中 ， 毕玉华 ， 常国锋
*
（ 1. 同济大学汽车学院， 上海 201804 ；
1. College of Automotive Engineering，Tongji University，Shanghai 201804 ； 2. Provincial Key Laboratory of Internal Combustion Engine，Kunming 650233
［ Abstract］ The UG and Matlab software are selected as the platform for inlet port development，the flow characteristic of valve throat is analyzed by introducing an inlet port area utilization ratio function，and the CAD solid model of the inlet port is directly obtained by applying forward design method． Due to the forward design method has more diversities of design options for cylinder head，it provides more surplus adjustment space for the flow field optimization of cooling water jacket in cylinder head and mechanical strength check． Keywords： diesel engine； inlet port； flow characteristics； forward design 状数字化。由于气道位于发动机缸盖紧凑的关键区
2
图3 函数 ψ（ λ） 随 λ 的变化（ α = 45° ）
进气道模型正向设计
d i 与排气门头部直径 d e 比值范围在 1. 15 ～ 1. 2 之 间
［4 ］
进气道关系到进气行程的充气效率， 而且与混 合气形成和燃烧过程气流运动密切相关 。 柴油机一 般需要组织进气涡流， 以提高混合气形成品质。 切 向进气道也能满足涡流强度要求， 但相对螺旋进气 道所牺牲的容积效率更大， 故螺旋进气道应用更为 。 广泛 2. 1 气道定位参数 将 h g 定义为从缸盖火力面至直流段所能达到
1. 3
进排气道布置
［6 ］ 排气道结构对发动机性能有着重要影响 。 进、 针对柴油机而言， 为了减小排气废热对新鲜进气充
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首先建立关于进气道螺旋段的一系列控轨曲 。 线 将螺线方程转换 UG 软件可识别代码， 运行规 6 其螺 制曲线命令后可得到如图 所示的空间曲线， 旋段导程角度范围约在 120° 左右， 共使用 3 类螺旋 方程， 调整方程参数分别构建 4 条空间曲线。
由式（ 2 ） 可以看出， 对某一特定机型而言， 在任 意气门升程 h 下， 最小流通截面积 f s 仅是锥角 α 的 函数， 其取值范围为： 0 ＜ α ＜ π /2 。 现对 f s 求一阶导 数， 则有 df s dα = πh（ hcos2 αcosα － d h sinα － 0. 5 hsin2 αsinα） （ 3） 虽然可很快求出函数 f s 关于 α 的一阶导数， 却 很难计算得到其导数为零时相应的 α 值。运用 Matlab 软件通过区间搜索的方法寻找函数极值可求得
根据此参数确定进气道入口尺寸和气 的最大高度， 道入口在缸盖端面的相对位置， 显然它对整个缸盖 的厚度具有决定性影响。气门导管凹台距离缸盖活 力面高度以 h b 表示， 它可间接反映螺旋段控轨曲线 的空间分布情况。在上述气门布置限制因素允许的 可最终确定气门中心相对气缸中心的 取值范围内， 位置。图 5 为定位参数示意图。
图1
气门喉口位置基本结构尺寸
最小流通截面积 f s 可表示为以气门头部最小直 径（ 通常等于气门喉口直径 d h ） 为小底、 直径 d s 为大 h' 为斜高的圆台侧表面积， 底、 其计算公式为 f s = πh' （ d h + d s ） /2 2 hsinαcosα； α 为气门锥角。故 f s 最终形式为 f s = πhcosα d h + （ 1） 其 中： h' = hcosα； d s = d h + 2 h' sinα，d s = d h +