一种发动机进气管道、其参数计算方法和相关设备与流程

1.本发明涉及发动机技术领域，具体涉及一种发动机进气管道、其参数计算方法和相关设备。


背景技术：

2.为缓解能源危机和环境污染，降低气耗和排放是目前天然气发动机亟待解决的问题。发动机各缸的一致性，具体为各缸涡流比和滚流比的一致性，及各缸流量系数一致性。各缸进气量与滚流比的不一致必然会导致各缸工作不一致，若各缸工作不一致性会导致各缸循环变动大，进而造成经济性与动力性下降，增加了噪音及振动，以及零部件可靠性变差等后果。
3.因此，如何提高发动机各缸的一致性，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供一种发动机进气管道、其参数计算方法和相关设备，以实现提高发动机各缸的一致性。
5.为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种发动机进气管道，包括：进气稳压腔，所述进气稳压腔的进气侧设置有进气口，所述进气口位于所述进气稳压腔的中心线上；多个气缸，多个气缸关于所述进气稳压腔的中心线对称布置，一个所述气缸通过一个进气道和一个进气歧管与所述进气稳压腔的出气侧连通，所述进气歧管与所述进气稳压腔的出气侧的进气夹角的范围为90
°
~180
°
，且位于所述进气稳压腔一侧的气缸的进气夹角相异。
6.优选的，本发明的所述的发动机进气管道中，所述进气歧管与所述进气道结合处的截面由第一边、第二边、第三边和第四边围成，且相邻的边由过渡圆角连接，其中，所述第一边对应所述进气歧管与所述进气道结合处的内侧，所述第二边对应所述进气歧管与所述进气道结合处的底侧，所述第三边对应所述进气歧管与所述进气道结合处的外侧，所述第四边对应所述进气歧管与所述进气道结合处的顶侧。
7.优选的，本发明的所述的发动机进气管道中，所述第一边的边长l1小于所述第三边的边长l3，所述第二边的边长l2等于所述第四边的边长l4。
8.优选的，本发明的所述的发动机进气管道中，当所述进气道的管径为d时，则l1、l2、l3的长度取值范围为0《l1、l2、l3《d， 0《l1《1/3d，且1/3d《l2、l3《1/2d。
9.优选的，本发明的所述的发动机进气管道中，所述第一边与所述第二边之间的过渡圆角的曲率半径r1、所述第二边与所述第三边之间的过渡圆角的曲率半径r2的取值范围为0《r1《1/4l1，0《r2《1/4l3。
10.本发明还公开了一种发动机进气系统，包括上述任意一项所述的发动机进气管
道。
11.本发明还公开了一种交通工具，应用有上述所述的发动机进气系统。
12.本发明还公开了一种发动机进气管道参数计算方法，用于对上述组合后的发动机进气管道的参数进行计算，方法包括：获取试验状态下各气缸最大升程下的试验系数，所述试验系数包括试验涡流比、试验滚流比和试验流量系数；搭建进气系统的仿真模型；基于所述仿真模型进行仿真计算得到各气缸的仿真系数，所述仿真系数包括仿真涡流比、仿真滚流比和仿真流量系数；对标所述试验系数和所述仿真系数并确定仿真规范；基于所述仿真规范构建进气系统的目标仿真模型；获取发动机进气管道的设计参数，并结合所述目标仿真模型进行仿真计算得到目标系数，所述目标系数包括目标涡流比、目标滚流比和目标流量系数；基于评价公式判断目标系数的相对偏差是否在偏差范围内；如果在偏差范围内，则将所述设计参数的目标值作为所述发动机进气管道参数的计算结果进行输出。
13.优选的，本发明的所述的发动机进气管道参数计算方法中，所述对标所述试验系数和所述仿真系数并确定仿真规范包括：判断所述试验系数和所述仿真系数的标定误差是否在吻合范围内；如果在吻合范围内，调整所述仿真模型的参数设置和网格设置；判断参数设置和网格设置是否在误差极限范围内；如果在误差极限范围内，将仿真模型中的网格设置和参数设置形成仿真规范。
14.优选的，本发明的所述的发动机进气管道参数计算方法中，所述目标涡流比的偏差范围为﹣10%~﹢10%，所述目标滚流比的偏差范围为﹣10%~﹢10%，所述目标流量系数的偏差范围为﹣5%~﹢5%。
15.优选的，本发明的所述的发动机进气管道参数计算方法中，所述评价公式为：相对偏差=（某一气缸的目标系数-所有气缸的目标系数的平均值）/所有气缸的目标系数的平均值。
16.优选的，本发明的所述的发动机进气管道参数计算方法中，所述设计参数包括进气歧管与进气稳压腔的出气侧的进气夹角，进气歧管与进气道结合处的截面的第一边的边长、第二边的边长、第三边的边长、第一边与第二边之间的过渡圆角的曲率半径、第二边与第三边之间的过渡圆角的曲率半径。
17.基于上述技术方案，本发明实施例提供的上述方案，多个气缸关于所述进气稳压腔的中心线对称布置，一个所述气缸通过一个进气道和一个进气歧管与所述进气稳压腔的出气侧连通，由于所述进气歧管与所述进气稳压腔的出气侧的进气夹角的范围为90
°
~180
°
，且位于所述进气稳压腔一侧的气缸的进气夹角相异，减少了气流在进气稳压腔内撞壁，回流等现象的发生，气体进入气缸的状态一致，从而提高了发动机各缸的一致性。另外，进气歧管与进气道结合处的截面左右两侧边长各异，以使得流向缸内的截面上速度更均匀。而截面上的过渡圆角使得进入缸内的流线更顺畅。
附图说明
18.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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
19.图1为本发明实施例公开的发动机进气管道的结构示意图；图2为本发明实施例公开的进气歧管与所述进气道结合处的截面的结构示意图；图3为本发明实施例公开的发动机进气管道参数计算方法的流程示意图；图4为本发明实施例公开的发动机进气管道参数计算方法的局部流程示意图；图5为本发明实施例公开的发动机进气管道参数计算设备的结构示意图。
具体实施方式
20.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。
21.进气过程是发动机工作循环的重要组成部分，进气状态的好坏直接决定着缸内气体的流动，从而影响缸内燃烧，因此，改善各缸进气速度以及进气形态对发动机一致性起着关键作用，可在一定程度上优化发动机动力性、经济性以及排放等各项性能。
22.而现有的发动机进气管道，基本是沿用柴油机的进气管道结构，进气方式多为中间进气，气道与进气歧管的匹配不够完美，导致气流在进气稳压腔内撞壁，回流等问题；进而使得气体进入气缸的状态很紊乱，且进入各缸气流速度以及形态都不一样，各缸一致性差，导致各缸的工作状态不一致。
23.针对现有技术中发动机进气管道一致性差的问题，如图1所示，本发明提供了一种发动机进气管道，包括：进气稳压腔，所述进气稳压腔的进气侧a设置有进气口c，所述进气口c位于所述进气稳压腔的中心线o上；多个气缸，多个气缸关于所述进气稳压腔的中心线o对称布置，一个所述气缸通过一个进气道和一个进气歧管与所述进气稳压腔的出气侧b连通，所述进气歧管与所述进气稳压腔的出气侧b的进气夹角的范围为90
°
~180
°
，且位于所述进气稳压腔一侧的气缸的进气夹角相异。
24.本方案中由于所述进气歧管与所述进气稳压腔的出气侧b的进气夹角的范围为90
°
~180
°
，且位于所述进气稳压腔一侧的气缸的进气夹角相异，减少了气流在进气稳压腔内撞壁，回流等现象的发生，气体进入气缸的状态一致，从而提高了发动机各缸的一致性。具体的采用何种进气夹角，可以根据设计需求自行设定。
25.本实施例公开的技术方案中，为了进一步提高进入各气缸的气流速度的一致性，还可增加进气歧管和进气道之间的匹配度，例如调整所述进气歧管与所述进气道结合处e的截面形状。本实施例中，该截面由第一边、第二边、第三边和第四边围成，且相邻的边由过渡圆角连接，如图2所示，其中，所述第一边对应所述进气歧管与所述进气道结合处e的内侧e1，所述第二边对应所述进气歧管与所述进气道结合处的底侧e2，所述第三边对应所述进气歧管与所述进气道结合处的外侧e3，所述第四边对应所述进气歧管与所述进气道结合处
的顶侧e4。
26.需要说明的是，上述内侧e1和外侧e3是相对于进气稳压腔的中心线o而言，其中，对于进气歧管，进气歧管靠近进气稳压腔的中心线o的一侧为内侧，与该侧相对的一侧为外侧；对于进气道，进气道靠近进气稳压腔的中心线o的一侧为内侧，与该侧相对的一侧为外侧。
27.具体的第一边、第二边、第三边和第四边的取值，可根据设计需求自行设定。在本实施例中，第一边的边长l1、第二边的边长l2、第三边的边长l3和第四边的边长l4可根据设计需求自行设定。为了更进一步的提高各缸进气气流速度的一致性，本实施例中，所述第一边的边长l1小于第三边的边长l3，所述第二边的边长l2等于第四边的边长l4。由于进气歧管的导向作用，使得靠近外侧的内壁面的流速快，靠近内侧的内壁面的流速慢，造成截面速度分布不均匀。当l1《l3时，所述进气歧管与所述进气道结合处e的截面形状大体为梯形，结合处e靠近内侧e1的同一横向距离（横向距离为内侧e1与外侧e3之间横向的距离）所对应的截面积，结合处e靠近外侧e3的同一横向距离所对应的截面积不一样。靠近内侧e1处的气流通过减小截面积，以使此处的气流速度加快。而结合处e靠近外侧e3处的气流通过增大截面积，以使此处的气流速度减慢，如此，使得流向缸内的气流在整个截面上的速度分布更均匀。
28.本实施例中，还具体限定了第一边的边长l1小于第三边的边长l3，所述第二边的边长l2等于第四边的边长l4。其中，l1、l2、l3的长度取值范围为：0《l1、l2、l3《d，0《l1《1/3d，且1/3d《l2、l3《1/2d，其中，所述进气道的管径为d。具体的第一边、第二边、第三边和第四边相邻的边的过渡圆角的取值，可根据设计需求自行设定。
29.本实施例中，为了保证进入各气缸的气流顺畅度，在所述第一边的边长l1小于第三边的边长l3，所述第二边的边长l2等于第四边的边长l4基础上，所述第一边与所述第二边之间的过渡圆角的曲率半径r1等于第一边和第四边之间的过渡圆角的曲率半径，所述第二边与所述第三边之间的过渡圆角的曲率半径r2等于第三边和第四边之间的过渡圆角的曲率半径。进一步的，所述第一边与所述第二边之间的过渡圆角的曲率半径r1和所述第二边与所述第三边之间的过渡圆角的曲率半径r2取值范围为：0《r1《1/4l1，0《r2《1/4l3。通过调整r1和r2，减少气流在所述第一边对应所述进气歧管与所述进气道结合处e的内壁碰壁，减少流线紊乱，使得气流更顺畅。
30.本发明提供了发动机进气管道适用于六缸机、三缸机、四缸机等，本实施例中，以中间进气的六缸机为例，气缸1、气缸2、气缸3缸与气缸4、气缸5、气缸6缸关于中心线o对称布置，故以图示左侧三气缸讲解。气缸6、气缸5、气缸4的进气歧管与出气侧b的进气夹角分别为θ1、θ2、θ3，由于气流进入各气缸的路程与方向不一样，故三个进气夹角的角度也不一样，为提高对进气的引导，其范围为90
°
~180
°
。
31.对应于上述方案，本发明还公开了一种发动机进气系统，该系统可以具有上述任意一项所述的发动机进气管道。
32.对应于上述方案，本发明还公开了一种交通工具，具有上述发动机进气系统。交通工具可以为现有任意类型的需要发动机的工具，例如，家用汽车、工程用汽车、轮船等。
33.为了进一步提高发动机各缸一致性。本发明还提供了一种对发动机进气管道中的各项设计参数进行优化的参数计算方法，该计算方法是以各缸一致性最优为目标的优化过
程。该发动机进气管道参数计算方法用于上述各个实施例组合后的发动机进气管道的参数的计算，具体的，参见图3，本发明实施例公开的发动机进气管道参数计算方法包括：步骤s101：获取试验状态下各气缸最大升程下的试验系数。所述试验系数包括试验涡流比、试验滚流比和试验流量系数。由背景技术描述可知，发动机各缸一致性包括各缸涡流比和滚流比的一致性，及各缸流量系数一致性，因此，本步骤中通过获取试验状态下最大升程下的试验系数，为后续步骤进行判断提供基础。
34.步骤s102：搭建进气系统的仿真模型。在本方案中，选定应用本方案的发动机机型，并创建与该机型所适配的仿真模型。
35.步骤s103：基于所述仿真模型进行仿真计算得到各气缸的仿真系数。所述仿真系数包括仿真涡流比、仿真滚流比和仿真流量系数。
36.步骤s104：对标所述试验系数和所述仿真系数并确定仿真规范。
37.在本方案中，如图4所示，具体包括：步骤s1041：判断所述试验系数和所述仿真系数的标定误差是否在吻合范围内。
38.本步骤中，判断所述试验系数和所述仿真系数的标定误差是否在吻合范围内，如果在吻合范围内，则表明所述试验系数和所述仿真系数的目标值有效且可靠，执行步骤s1042；否则，表明所述试验系数和所述仿真系数的目标值无效且不可靠，需要重新执行步骤s102。
39.步骤s1042：调整所述仿真模型的参数设置和网格设置。
40.本步骤中，仿真模型里的参数设置可以理解为初始条件，收敛条件等，而网格设置为网格数以及关键部位的网格加密。通过调整参数设置和网格设置，可以让仿真结果与试验结果吻合，若吻合，则参数设置和网格设置完成，形成一套仿真规范，以为后续的结构调整的提供仿真模型支持。
41.步骤s1043：判断参数设置和网格设置是否在误差极限范围内。
42.本步骤中，判断参数设置和网格设置是否在误差极限范围内，如果在误差极限范围内，则表明参数设置和网格设置的目标值有效且可靠，执行步骤s1044；否则，表明所述参数设置和网格设置的目标值无效且不可靠，需要重新执行步骤s1042。
43.步骤s1044：将仿真模型中的网格设置和参数设置形成仿真规范。
44.该仿真规范适用于后续其他机型的进气系统仿真选型。
45.步骤s105：基于所述仿真规范构建进气系统的目标仿真模型。
46.在本方案中，选定应用本方案的发动机机型，并创建与该机型所适配的仿真模型。
47.步骤s106：获取发动机进气管道的设计参数，并结合所述目标仿真模型进行仿真计算得到目标系数。所述目标系数包括目标涡流比、目标滚流比和目标流量系数。
48.各个设计参数均包括x个样本点，所述x为大于1的正整数，在本方案中，所述x的值可以为1000，所述设计参数包括进气歧管与进气稳压腔的出气侧的进气夹角，进气歧管与进气道结合处的截面的第一边的边长l1、第二边的边长l2、第三边的边长l3、第四边的边长l4，相邻边之间的过渡圆角的曲率半径。进一步的，当第二边的边长l2等于第四边的边长l4时，该设计参数包括进气歧管与进气稳压腔的出气侧的进气夹角，进气歧管与进气道结合处的截面的第一边的边长l1和第三边的边长l3，第一边与第二边的过渡圆角的曲率半径r1和第二边与第三边之间的过渡圆角的曲率半径r2。
49.第一边的边长l1小于第三边的边长l3，所述第二边的边长l2等于第四边的边长l4，其中，l1、l2、l3的长度取值范围为0《l1、l2、l3《d，且0《l1《1/3d，1/3d《l2、l3《1/2d，所述进气道的管径为d。所述第一边与所述第二边之间的过渡圆角的曲率半径r1和所述第二边与所述第三边之间的过渡圆角的曲率半径r2取值范围为0《r1《1/4l1，0《r2《1/4l3。
50.当各个设计参数的区间范围确定以后，可以利用拉丁超立方方法或者其他抽样方式确定各个设计参数的1000个样本点，将这些样本点导入所述设计参数的集合中，即，每个设计参数都可以有1000个不同的值；或者是，基于各个设计参数中的不同值的组合共同建立1000个总的样本点，即，总共创建1000个不同设计参数的组合，这些组合中，至少有一个设计参数的值不同，将这1000个组合导入所述设计参数中。
51.本方案中，在确定所述设计参数以后，将所述设计参数集合中的各个设计参数的值带入目标仿真模型，可以得到在各个不同的设计参数的组合的目标系数。
52.步骤s107：基于评价公式判断目标系数的相对偏差是否在偏差范围内。
53.本步骤中，判断目标系数的相对偏差是否在偏差范围内，如果在误差极限范围内，则表明各目标系数的目标值有效且可靠，否则，表明所述各目标系数的目标值无效且不可靠，需要重新执行步骤s105。
54.当计算得到各个参数组合工况下的发动机各缸的目标系数之后，再进一步计算各个组合工况下各缸的相对偏差，在这里评价公式为：相对偏差=（某一气缸的目标系数-所有气缸的目标系数的平均值）/所有气缸的目标系数的平均值。
55.其中，影响一致性的设计参数为进气歧管与进气稳压腔的出气侧的进气夹角；影响气流速度的一致性的设计参数为进气歧管与进气道结合处的截面的边长；影响气流顺畅度的设计参数为参数为进气歧管与进气道结合处的截面的相邻边间的过渡圆角的曲率半径。以中间进气的六缸机为例，进气歧管与进气侧的进气夹角分别为θ1、θ2、θ3，影响涡流比、滚流比和流量系数，通过调整θ1、θ2、θ3能够提高一致性；进气歧管与进气道结合处的截面的边长l1、l2、l3和l4。进一步的，在l2等于l4的基础上，设计参数l1和l3是影响流入气缸的截面流速的均匀性的主要因素；进气歧管与进气道结合处的截面的相邻边间的过渡圆角的曲率半径r1和r2是影响气流的顺畅度的主要因素。
56.以一致性为例，当目标系数为目标涡流比时，目标涡流比的相对偏差=（某一气缸的目标涡流比-所有气缸的目标涡流比的平均值）/所有气缸的目标涡流比的平均值，具体的，所述目标涡流比的偏差范围为﹣10%~﹢10%。当目标涡流比的相对偏差在﹣10%~﹢10%之内，则表明目标涡流比在涡流比偏差范围内，则执行步骤s108；如果在﹣10%~﹢10%之外，则表明目标涡流比不在涡流比偏差范围内，则需要调整进气歧管与进气稳压腔的出气侧的进气夹角。
57.或者，当目标系数为目标滚流比时，目标滚流比的相对偏差=（某一气缸的目标滚流比-所有气缸的目标滚流比的平均值）/所有气缸的目标滚流比的平均值，所述目标滚流比的偏差范围为﹣10%~﹢10%。当目标滚流比的相对偏差在﹣10%~﹢10%之内，则表明目标滚流比在滚流比偏差范围内，则执行步骤s108；如果在﹣10%~﹢10%之外，则表明目标滚流比不在滚流比偏差范围内，则需要调整进气歧管与进气稳压腔的出气侧的进气夹角。
58.或者，当目标系数为目标流量系数时，目标流量系数的相对偏差=（某一气缸的目标流量系数-所有气缸的目标流量系数的平均值）/所有气缸的目标流量系数的平均值，所
述目标流量系数的偏差范围为﹣5%~﹢5%。当目标流量系数的相对偏差在﹣5%~﹢5%之内，则表明目标流量系数在流量系数偏差范围内，则执行步骤s108；如果在﹣5%~﹢5%之外，则表明目标流量系数不在流量系数偏差范围内，则需要调整进气歧管与进气稳压腔的出气侧的进气夹角。
59.步骤s108：将所述设计参数的目标值作为所述发动机进气管道参数的计算结果进行输出。
60.当目标系数的相对偏差在偏差范围内时，表明所述设计参数的目标值为可靠值，此时，将所述设计参数的目标值作为所述发动机进气管道参数的计算结果进行输出。
61.本发明还公开了一种发动机进气管道参数计算设备，图5为本发明实施例提供的发动机进气管道参数计算设备的硬件结构图，参见图5所示，可以包括：至少一个处理器，至少一个通信接口，至少一个存储器和至少一个通信总线；在本发明实施例中，处理器、通信接口、存储器、通信总线的数量为至少一个，且处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信；显然，图5所示的处理器、通信接口、存储器和通信总线所示的通信连接示意仅是可选的；可选的，通信接口可以为通信模块的接口，如gsm模块的接口；处理器可能是一个中央处理器cpu，或者是特定集成电路asic（application specific integrated circuit），或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。
62.存储器可能包含高速ram存储器，也可能还包括非易失性存储器（non-voltile memory），例如至少一个磁盘存储器。
63.其中，处理器具体执行上述发动机进气管道参数计算方法的各个步骤。
64.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。
65.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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，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，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
66.对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
67.以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。