一种多截面混合调节阀阀芯设计方法

摘要

本发明提供了一种多截面混合调节阀阀芯设计方法，步骤为：1)计算得到阀芯在不同开度下的流量和相应开度下的流通面积；2)计算出等百分比流量特性不同开度下所需求的流通面积；3)得到各个截面对应的圆直径；4)完成多截面混合阀芯的外轮廓；5)确定需要优化的开度；6)得到改进后的阀芯结构。本发明具有以下优势：多截面混合阀芯型面与阀孔之间形成的流通面积的变化程度相对于平板阀芯的平缓，所以具有更高的调节精度，调节特性接近于等百分比流量特性的调节特性；多截面混合阀芯调节阀在不同角度下打开，气体沿多截面混合阀芯型面流过，气流更顺畅，所形成的漩涡少，有利于提高二级增压系统下游涡轮的废气能量利用率。

说明书

技术领域

本发明属于机电技术领域，具体涉及一种多截面混合调节阀阀芯设计方法。

背景技术

随着内燃机的功率密度的提升和转速范围的拓展、以及用途的多样化，追求以燃油经济性、动态响应性等为目的的全工况性能匹配，对增压系统提出全新要求，根据车辆使用特性和时间任务剖面，通过调节阀切换实现增压参数改变的可调增压系统，成为研究热点。以二级增压为代表的可调增压系统，不仅可以满足发动机的设计工况，还能适应变工况和不同使用环境工作要求，对拓宽发动机最佳燃油经济性区域、提高实际使用性能有着重要影响。

二级增压系统中，调节阀是一个关键部件，对实现增压系统内高、低压级涡轮的能量精确分配，随发动机不同工况的压比调节、全工况匹配起到关键作用。

一般的调节阀阀芯没有经过特殊设计，多采用平板结构。气体流过平板阀芯后，由于流通面积的突然变化，阀芯周边存在低速区和漩涡，降低了进入下游涡轮的能量利用率。尤其是在小开度下，调节特性不好。

对于二级增压系统调节阀，希望其具有接近于等百分比流量特性的调节特性：在小开度时，流量小，流量的变化也小，调节平稳缓和；在大开度时，流量大，流量的变化也大，调节灵敏有效，有利于二级增压系统高、低压级涡轮的能量精确分配，但平板阀芯结构的调节阀不能满足这种要求，调节精度差；而且，阀芯周边存在低速区和漩涡，不利于提高二级增压系统下游涡轮的废气能量利用率。

发明内容

本发明的目的正是为了解决现有技术的不足，提出既能满足线性流量特性、调节精度高，又能实现流动损失小的满足二级增压系统调节的，接近于等百分比流量特性调节特性的一种多截面混合调节阀阀芯设计方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种多截面混合调节阀阀芯设计方法，其步骤为：

1)根据理想等百分比流量特性流量公式确定流量与阀芯流通面积的关系，计算得到阀芯在不同开度下的流量和相应开度下的流通面积；

2)根据步骤1得到的数据计算出等百分比流量特性不同开度下所需求的流通面积；

3)先假设调节阀为直行程，绘制出不同开度下阀座的等侧面积曲线，再绘制出这些等侧面积曲线的包络线，做出它与代表每一开度下阀座所在面的直线的交点，测得这些交点与阀座中心线的距离的二倍作为直径，阀芯各开度下在阀座平面的截面即为以这些直径所做的圆，得到各个截面对应的圆直径；

4)把得到各个截面圆放置在对应开度下的阀座所在平面，然后通过边界混合，完成多截面混合阀芯的外轮廓；

5)对比各个开度下的理想的等百分比流量特性与实际阀芯流量特性，确定需要优化的开度；

6)根据步骤5得到的需要优化的开度，确定切割平面所在位置，截去阀芯的下半部分，得到改进后的阀芯结构，完成基于等百分比流量特性的多截面混合阀芯的型面优化。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

(1)本发明的多截面混合调节阀与平板调节阀相比，在相同开度范围内，由于多截面混合阀芯型面与阀孔之间形成的流通面积的变化程度相对于平板阀芯的平缓，所以具有更高的调节精度，调节特性接近于等百分比流量特性的调节特性；

(2)本发明的多截面混合阀芯调节阀在不同角度下打开，气体沿多截面混合阀芯型面流过，气流更顺畅，所形成的漩涡少，有利于提高二级增压系统下游涡轮的废气能量利用率。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1、为一种多截面混合调节阀阀座的等侧面积曲线包络线绘制示意图；

图2、为一种多截面混合阀芯多截面混合阀芯模型；

图3、为一种多截面混合阀芯流量特性与等百分比流量特性的对比曲线；

图4、为改进后的一种多截面混合阀芯模型。

附图标记说明：

1-多截面混合阀芯、2-摇臂、3-阀座平面、4-5度平面、5-10度平面、6-15度平面、7-20度平面、8-25度平面、9-理想等百分比调节阀流量特性、10-多截面混合调节阀流量特性、11-切割平面。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施例多截面混合调节阀阀芯设计方法包括如下步骤：

1)理想等百分比流量特性流量公式如下所述：

式中，Q是流经阀门的实际流量，Qmax是阀门的最大流量，l是阀门实际行程，L是阀门最大行程，R为可调比，可调比R的定义为阀门可控的最大流量与最小可控流量的比值。

本实施例以阀门通径为25mm为例，可调比选为10，依据理想等百分比流量特性流量公式，确定了流量与阀芯流通面积的关系，计算得到阀芯在不同开度下的流量和相应开度下的流通面积，例如，阀芯直线行程开度为0.8mm时，对应流通面积为44.1平方毫米，对应流量为0.0107kg/s。以此类推，得到如下表1。

表1：多截面混合阀芯在不同开度下的流通面积与流量的对应关系数据表

开度[mm]0.823.5571018流通面积[mm^2]44.188.4141191252333492流量[kg/s]0.01070.02130.03260.04330.05620.07690.0915

2)根据表1数据，以阀门通径为25mm为例，在R＝10条件下，计算得到阀芯在不同开度下所需求的流通面积，例如，阀芯直线行程开度为5度时，对应的等百分比流量为0.0127kg/s，对应的流通面积为53平方毫米。以此类推，得到表2。

表2：理想等百分比调节阀在不同开度下所需求的流通面积数据表

3)先假设调节阀为直行程，如图1所示，绘制出不同开度下阀座的等侧面积曲线，再画出这些曲线的包络线。

具体的，在小开度下，这条等侧面积曲线用一个圆来代替，在大开度下，等侧面积曲线用三个点连接样条曲线来代替。

绘制出这些等侧面积曲线的包络线后，做出它与代表每一开度下阀座所在面的直线的交点，测得这些交点与阀座中心线的距离的二倍作为直径，阀芯各开度下在阀座平面的截面即为以这些直径所做的圆，得到各个截面对应的圆直径；例如，阀芯直线行程开度为5度时，对应的截面圆直径23.58mm。以此类推，得到如下表3。

表3：为理想等百分比调节阀在各开度下的截面圆直径数据表

开度[deg]510152525直径[mm]23.5822.8220.6813.86

4)多截面混合调节阀的动作部分包括摇臂2、多截面混合阀芯1。摇臂2与多截面混合阀芯1连接在一起。把得到各个截面圆放置在对应开度下的阀座所在平面，使各个截面圆保持以下位置关系：

阀门关闭时，阀座平面3与阀门贴合在一起；阀芯1开启5度时，5度平面4呈水平位置，阀座平面3与5度平面4重合；阀芯1开启10度时，10度平面5呈水平位置，阀座平面3与10度平面5重合，以此类推。

放置截面圆时，还要注意：截面所在位置要保证在图2所示最大阀芯之内，以满足不干涉条件，同时又要尽量处于或接近阀座的中心。

通过边界混合，完成多截面混合阀芯的外轮廓确定。

5)对比各个开度下的理想的等百分比流量特性与实际阀芯流量特性，确定需要优化的开度；

如图3所示，理想等百分比调节阀流量特性9与多截面混合调节阀流量特性10放置在同一坐标系内比较。可以看出，在前四个开度，多截面混合阀流量与理想等百分比流量非常接近，只需要增加第五个开度，即25度下阀门的流量即可。这个对比曲线图对阀芯1型面的调整和改进有指导意义。

6)根据步骤5的对比结果，确定在第四个开度20度平面7近似的最小流通截面积所在位置，定义这个平面为切割平面11，切割平面11位于15度平面6与20度平面7之间，且切割平面11与20度平面7平行。

如图4所示，沿切割平面11截去多截面混合阀芯1的下半部分，得到改进后的多截面混合阀芯1结构，完成基于等百分比流量特性的多截面混合阀芯1型面的优化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。