一种活塞发动机的抗高脉动排气系统设计方法及排气系统

摘要

本发明提供了一种应用于两缸活塞发动机的抗高脉动排气的排气系统设计方法，目的在于减小增压器在工作时受到的冲击载荷，提高增压器的工作可靠性和使用寿命。本发明设计到两方面内容；气动原理和结构，气动原理方面的设计目的在于降低排气系统管道中气流的压力脉动，主要的设计方法是通过对排气管道进行压力波分析从而确定排气系统的结构设计参数，并对其进行修正，同时采用抗高脉动的轴承，降低了涡轮增压器的高温高速气流冲击下的振动。

说明书

技术领域

本发明涉及两缸活塞发动机的排气系统设计领域，具体涉及一种应用于两缸活塞发动机的抗高脉动排气的排气系统设计方法以及得到的排气系统。

背景技术

废气涡轮增压器可以提高活塞发动机的升功率和燃油经济性，还可以改善发动机的排放问题，因此在废气涡轮增压在活塞发动机上应用十分广泛。由于两缸发动机的气缸在工作过程中进行的是间歇性排气，这会激发排气系统中的气体压力和速度呈周期性脉动。当大幅度脉动的气流作用于废气涡轮增压器中涡轮的叶片时，高温、高速、高脉动的气流冲击对涡轮的强度及寿命十分不利。除此之外，为了使增压器在发动机的工作过程中稳定工作，提供稳定的增压比，减少气流对于增压系统的脉动冲击是十分必要的。

对于现有的定压增压发动机，实现增压器涡轮进口处的定压环境的主要方法是采用大容积的排气总管。发动机的每个气缸都通过一根排气歧管连接到一根总管上面，由于该种设计中排气管的长度和截面都较大，使得各缸的排气相互交替补充，而且大容积的排气总管为废气提供了充分的膨胀空间，最终导致排气总管内的气体压力对气缸排气口处的气体压力变化不敏感，压力始终维持在较小的波动范围之内。上述的定压增压系统要求设计有长度很长的排气歧管和容积很大的排气总管，大尺寸的结构件使得发动机的整体结构尺寸较大且质量较重。

发明内容

基于上述原因，本发明公开了一种采用压力波耦合减弱排气管道中气流脉动的抗高脉动排气的排气系统设计方法，以及得到的排气系统。用于解决废气涡轮增压器中涡轮入口压力脉动较大的问题，同时在增压器中采用大阻尼浮动式止推轴承，有效地削弱增压器的机械振动。通过以上设计，在较小的结构尺寸和重量的情况下有效地减弱增压器中的气流脉动和机械振动。

本发明完整的技术方案包括：

一种活塞发动机的抗高脉动排气系统，所述的排气系统包括排气歧管、排气总管，所述的排气歧管一端与气缸的排气口相连，另一端接入排气总管，其特征在于，所述的排气总管上设有排气缓冲器，排气缓冲器形状为锥体，

活塞发动机的抗高脉动排气系统的设计方法，其特征在于，所述的所述排气歧管的长度大小由管道内的气柱振动特性得到，具体包括：

(1)根据发动机的设计要求，明确发动机气缸排气门打开后的流出废气的气体状态参数，包括压力、温度和密度；

(2)设发动机的排气歧管均为简单管道，通过下式计算得到排气歧管上各点气流脉动压力和脉动速度：

式中，P为脉动压力；u为脉动速度；x为沿管长方向的位置坐标；ρ为气柱的平均密度；C为声音在介质中的传播速度，即压力波的传播速度；ω为圆频率；A、B为积分常数，由设定的边界条件确定。

(3)将边界条件设定为：

P(0)＝1，u(0)＝0

P(l)＝1，u(l)＝0

根据管道两端的情况设定边界条件，根据边界条件得到A、B的积分常数；

(4)根据步骤(3)中所列出的边界条件，对排气歧管内部的气流脉动情况进行初步计算，将排气歧管简化成了简单管道即直管，在进行波的合成时仅考虑入射波和反射波两道波；排气歧管内的气流压力波与气反射波振幅、波长和周期均相同，对两道波进行合成之后计算波动中是否存在驻波点，同时避免歧管出口处位于波动的驻波点；

(5)由于两缸发动机的气缸点火间隔为180度曲轴转角，以其中任意一根排气歧管为基准，计算另一根排气歧管中的气流脉动频率及幅值与第一根相同，但脉动相位相差180°；

(6)根据两根排气歧管中的气流脉动情况，对排气总管中的脉动气流进行初步计算，计算的方法是直接将两根排气歧管中的波动方程进行叠加；

(7)根据下述公式初步计算排气稳压器的容积：

V＝(25～40)m·(F·S)

式中，V为缓冲器的容积；m为同时工作的气缸数；F为活塞面积；S为活塞行程；取容积范围内的最小值作为设计的初始值；

(8)排气总管的设计截面积与稳压器的截面积相同，长度作为优化参数在仿真计算中进行优化，通过仿真计算得到稳压器的具体形状参数；在初步设计出排气歧管和总管之后，对管道中的气流流场进行模拟仿真，通过调整歧管与总管连接时的夹角、总管的长度以及稳压器的锥角参数，得到最小的流动损失和压力损失。

通过仿真计算得到排气歧管的具体形线，以获得较小的沿程损失作为设计原则，在仿真软件中对管道内部的流动特性进行仿真计算，并根据仿真结果对歧管的形线做出调整和优化。

所述抗高脉动排气的排气系统设计中采用了抗高脉动的大阻尼浮动式止推轴承，抗高脉动排气的排气系统采用抗高脉动的大阻尼浮动式止推轴承，该轴承为双面止推轴承，为周期性对称圆环结构，两侧设有若干个镜像对称，并与中心线呈一定夹角θ的均布油槽。

本发明相对于现有技术的优点在于：

本发明一种应用于两缸活塞发动机的抗高脉动排气的排气系统设计方法，可以削弱发动机排气总管中的气流脉动，有效地控制进入废气涡轮增压器中的气体压力，保证涡轮工作在较为稳定的环境中，而且在增压器中采用了一种抗高脉动的大阻尼浮动式双向止推轴承，该轴承可以实现双面承载，承载能力大，阻尼减震效果好，可以有效地减少由气流脉动引起的机械振动对排气系统和增压系统造成的零件磨损，延长各个零部件的使用寿命。与传统的定压增压器相比，本发明所涉及到的设计方法所要求的排气管道长度较短，且不需要很大容积的排气总管提供稳压环境，这样设计出的发动机排气系统结构尺寸较小、重量较轻，而且可以为发动机提供较为稳定的进气条件，有利于发动机的稳定工作。

附图说明

图1为本发明所涉及的抗高脉动排气系统管路与缸体连接结构示意图

图2为本发明所涉及的抗高脉动排气系统整体管路的等轴测示意图

图3为本发明所涉及的排气歧管图

图4为本发明所涉及的排气总管上排气稳压器示意图

图5为本发明所涉及的带有抗高脉动排气阻尼轴承的增压器内部结构示意图

图中：1-气缸缸套、2-气缸缸体、3-排气口、4-第一排气歧管、5-第二排气歧管、6-排气总管、7-排气稳压器、8-涡轮增压器中压气机、9-抗高脉动的大阻尼浮动式止推轴承、10-涡轮增压器中涡轮。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明所涉及的抗高脉动排气系统中的管路系统与发动机气缸的排气口直接相连。

如图2所示，本发明所涉及的抗高脉动排气系统主要包括了三个部分：两根排气歧管、一根包含有排气稳压器的排气总管，以及一个抗高脉动的大阻尼浮动式止推轴承。

如图3所示，排气歧管的设计不仅包括长度和直径的设计，还包括了具体形线的规划，歧管的形线设计对发动机排气过程中的损失影响很大。

如图4所示，排气总管上设计的排气稳压器实际上是一段截面积沿流线方向逐渐增大的锥管。

如图5所示，抗高脉动的大阻尼浮动式止推轴承安装在废气涡轮增压器的轴上，安装位置靠近压气机端。

在发动机的正常工作过程中，气缸中的燃气在排气口打开之后流出，由于活塞发动机的排气是间歇性的，导致发动机的排气歧管内部产生一定幅度的压力波，该压力波是以声速在排气管道内部传播和往复反射。在排气系统中气体呈现出的波动实际上是管道内部各种波相互叠加的效果。

若想得到持续的脉动较小的排气气流，对排气的波动叠加进行控制和规划是十分有效的方法。当活塞下行打开气缸的排气门之后，由于在排气过程中废气的压力和速度均在不断下降，使得排气歧管内的废气受到扰动并产生压力波，该压力波在管道内部被往复反射，这些反射波相互叠加之后使管道内部的气流呈现出复杂的脉动效果。由于排气总管中的气流是由多根排气歧管中的气流汇聚构成的，同时多股气流的脉动也在排气总管中进行再一次的叠加，此次叠加的结果即是最终涡轮增压器中涡轮所承受的气流脉动情况。若不对排气系统进行规划设计，气流在管路中的波动叠加结果可能会出现驻波点，若排气歧管与排气总管的接入点位于驻波点处，则该点处的气体压力值很大，但是此处的气体流动速度为零。在这种情况下，歧管中的气流无法正常排出，且歧管内的气体压力值逐渐升高最终影响发动机的正常排气和正常工作。同样地，若不采用抗高脉动的大阻尼浮动式止推轴承，则在脉动气流的影响和冲击之下，排气系统中的管路和增压器中的各个零部件会产生较强烈的机械振动，各个部件的磨损加速，寿命缩短。

在对发动机的排气管路进行规划设计时，首先根据发动机的设计参数等得到气缸的排气参数，然后再根据小波动理论对简化的发动机排气管进行长度设计，以及按照经验设计对排气总管上的排气稳压器进行容积设计。最后在涡轮增压器上采用抗高脉动的大阻尼浮动式止推轴承，与设计的削弱排气脉动幅值的排气管路一同构成抗高脉动排气的排气系统。

以下通过具体的设计步骤说明本本发明所述的一种应用于两缸活塞发动机的抗高脉动排气的排气系统设计方法。本领域的技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点和效益，本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点于应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

参阅图1-5，需要说明的是，本文中所提供的图示仅以示意方式说明按照本发明中论述的设计方法进行设计后的结果。

本发明一种应用于两缸活塞发动机的抗高脉动排气的排气系统设计方法，包括以下步骤：

1.根据发动机的设计要求，明确发动机气缸排气门打开后的流出废气的气体状态参数，包括压力、温度和密度等。

2.首先对发动机的排气歧管进行简化，假设歧管均为简单管道。通过下式计算得到简单管道上各点气流脉动压力和脉动速度的振幅计算公式：

式中，P为脉动压力；u为脉动速度；x为沿管长方向的位置坐标；ρ为气柱的平均密度；C为声音在介质中的传播速度，即压力波的传播速度；ω为圆频率；A、B为积分常数，由设定的边界条件确定。

3.对于排气歧管来说，管道一端连接气缸排气口，另一端与排气总管相连接，由于压力

波在歧管与总管相连接处会发生反射，故将边界条件设定为：

P(0)＝1，u(0)＝0

P(l)＝1，u(l)＝0

根据管道两端的情况设定边界条件，根据边界条件得到A、B的积分常数。

4.根据步骤3中所列出的边界条件，对排气歧管内部的气流脉动情况进行初步的计算，将排气歧管简化成了简单管道、即直管，故在进行波的合成时仅考虑入射波和反射波两道波。

排气歧管内的气流压力波与气反射波振幅、波长和周期均相同，会在管道中发生干涉，对两道波进行合成之后计算波动中是否存在驻波点，同时避免歧管出口处位于波动的驻波点；

5.由于两缸发动机的气缸点火间隔为180度曲轴转角，则以其中任意一根排气歧管为基准，另一根排气歧管中的气流脉动频率及幅值与第一根相同，但脉动相位相差180°。

6.已知两根排气歧管中的气流脉动情况，对排气总管中的脉动气流进行初步计算。计算

的方法是直接将两根排气歧管中的波动方程进行叠加。

7.排气稳压器的容积初步根据经验公式计算：

V＝(25～40)m·(F·S)

式中，V为缓冲器的容积；m为同时工作的气缸数；F为活塞面积；S为活塞行程。由于在对排气歧管设计时已考虑对于气流脉动的削弱，故在对排气稳压器的容积进行设计时取容积范围内的最小值作为设计的初始值。

8.排气总管的设计截面积与稳压器的截面积相同，长度作为优化参数在仿真计算中进行优化。而稳压器的具体形状参数同样需要进行仿真计算。在初步设计出排气歧管和总管之后，对管道中的气流流场进行模拟仿真，通过调整歧管与总管连接时的夹角、总管的长度以及稳压器的锥角参数，得到最小的流动损失和压力损失。通过上述技术，可以有效地控制发动机排气时气流压力、速度的脉动情况，并通过合理的管道设计和结构设计，使发动机的排气过程更加顺畅，降低流动损失，并有效地减弱发动机排气系统和增压系统的振动及磨损，延长管路、增压器及轴承等零件的使用寿命。

所述抗高脉动排气的排气系统设计中采用了抗高脉动的大阻尼浮动式止推轴承。该轴承为双面止推轴承，为周期性对称圆环结构，两侧设有若干个镜像对称的均布油槽。一侧为正槽，一侧为倒槽，并与中心线呈一定夹角θ，角度大小主要取决于设计转速，转速越高，角度越小，尤其是θ角与设计转速n_d的关系为：

θ＝90-arctan(πn_dr/60)

式中，r为轴承中心到油槽底部的距离。

使所述油槽在工作时形成动压油膜，承载轴向力，缓冲轴向脉动的效果最好。所述的油槽由外向内应指向转轴旋转方向，即指向与转轴旋转方向一致，促使动压油膜形成。区别于传统的涡轮增压器止推轴承，所述的浮动式止推轴承安装与涡轮增压器核心体组件上，沿轴向留有0.06～0.14mm的总窜动量。同时可以绕转轴自由旋转。因此在增压器工作时，形成动压油膜，承载轴向力，缓冲轴向脉动。所述的浮动式止推轴承通常由两片为一组，安装于增压器的封油盖和中间体之间，并由轴封套隔开。进而形成四个止推油膜。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。