本發(fā)明涉及兩缸活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于兩缸活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的抗高脈動(dòng)排氣的排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法以及得到的排氣系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

廢氣渦輪增壓器可以提高活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的升功率和燃油經(jīng)濟(jì)性，還可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)的排放問題，因此在廢氣渦輪增壓在活塞發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用十分廣泛。由于兩缸發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸在工作過程中進(jìn)行的是間歇性排氣，這會(huì)激發(fā)排氣系統(tǒng)中的氣體壓力和速度呈周期性脈動(dòng)。當(dāng)大幅度脈動(dòng)的氣流作用于廢氣渦輪增壓器中渦輪的葉片時(shí)，高溫、高速、高脈動(dòng)的氣流沖擊對(duì)渦輪的強(qiáng)度及壽命十分不利。除此之外，為了使增壓器在發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程中穩(wěn)定工作，提供穩(wěn)定的增壓比，減少氣流對(duì)于增壓系統(tǒng)的脈動(dòng)沖擊是十分必要的。

對(duì)于現(xiàn)有的定壓增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)增壓器渦輪進(jìn)口處的定壓環(huán)境的主要方法是采用大容積的排氣總管。發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)氣缸都通過一根排氣歧管連接到一根總管上面，由于該種設(shè)計(jì)中排氣管的長(zhǎng)度和截面都較大，使得各缸的排氣相互交替補(bǔ)充，而且大容積的排氣總管為廢氣提供了充分的膨脹空間，最終導(dǎo)致排氣總管內(nèi)的氣體壓力對(duì)氣缸排氣口處的氣體壓力變化不敏感，壓力始終維持在較小的波動(dòng)范圍之內(nèi)。上述的定壓增壓系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)有長(zhǎng)度很長(zhǎng)的排氣歧管和容積很大的排氣總管，大尺寸的結(jié)構(gòu)件使得發(fā)動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)尺寸較大且質(zhì)量較重。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于上述原因，本發(fā)明公開了一種采用壓力波耦合減弱排氣管道中氣流脈動(dòng)的抗高脈動(dòng)排氣的排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，以及得到的排氣系統(tǒng)。用于解決廢氣渦輪增壓器中渦輪入口壓力脈動(dòng)較大的問題，同時(shí)在增壓器中采用大阻尼浮動(dòng)式止推軸承，有效地削弱增壓器的機(jī)械振動(dòng)。通過以上設(shè)計(jì)，在較小的結(jié)構(gòu)尺寸和重量的情況下有效地減弱增壓器中的氣流脈動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)。

本發(fā)明完整的技術(shù)方案包括：

一種活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的抗高脈動(dòng)排氣系統(tǒng)，所述的排氣系統(tǒng)包括排氣歧管、排氣總管，所述的排氣歧管一端與氣缸的排氣口相連，另一端接入排氣總管，其特征在于，所述的排氣總管上設(shè)有排氣緩沖器，排氣緩沖器形狀為錐體，

活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的抗高脈動(dòng)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的所述排氣歧管的長(zhǎng)度大小由管道內(nèi)的氣柱振動(dòng)特性得到，具體包括：

(1)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求，明確發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸排氣門打開后的流出廢氣的氣體狀態(tài)參數(shù)，包括壓力、溫度和密度；

(2)設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管均為簡(jiǎn)單管道，通過下式計(jì)算得到排氣歧管上各點(diǎn)氣流脈動(dòng)壓力和脈動(dòng)速度：

式中，p為脈動(dòng)壓力；u為脈動(dòng)速度；x為沿管長(zhǎng)方向的位置坐標(biāo)；ρ為氣柱的平均密度；c為聲音在介質(zhì)中的傳播速度，即壓力波的傳播速度；ω為圓頻率；a、b為積分常數(shù)，由設(shè)定的邊界條件確定。

(3)將邊界條件設(shè)定為：

p(0)＝1，u(0)＝0

p(l)＝1，u(l)＝0

根據(jù)管道兩端的情況設(shè)定邊界條件，根據(jù)邊界條件得到a、b的積分常數(shù)；

(4)根據(jù)步驟(3)中所列出的邊界條件，對(duì)排氣歧管內(nèi)部的氣流脈動(dòng)情況進(jìn)行初步計(jì)算，將排氣歧管簡(jiǎn)化成了簡(jiǎn)單管道即直管，在進(jìn)行波的合成時(shí)僅考慮入射波和反射波兩道波；排氣歧管內(nèi)的氣流壓力波與氣反射波振幅、波長(zhǎng)和周期均相同，對(duì)兩道波進(jìn)行合成之后計(jì)算波動(dòng)中是否存在駐波點(diǎn)，同時(shí)避免歧管出口處位于波動(dòng)的駐波點(diǎn)；

(5)由于兩缸發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸點(diǎn)火間隔為180度曲軸轉(zhuǎn)角，以其中任意一根排氣歧管為基準(zhǔn)，計(jì)算另一根排氣歧管中的氣流脈動(dòng)頻率及幅值與第一根相同，但脈動(dòng)相位相差180°；

(6)根據(jù)兩根排氣歧管中的氣流脈動(dòng)情況，對(duì)排氣總管中的脈動(dòng)氣流進(jìn)行初步計(jì)算，計(jì)算的方法是直接將兩根排氣歧管中的波動(dòng)方程進(jìn)行疊加；

(7)根據(jù)下述公式初步計(jì)算排氣穩(wěn)壓器的容積：

v＝(25～40)m·(f·s)

式中，v為緩沖器的容積；m為同時(shí)工作的氣缸數(shù)；f為活塞面積；s為活塞行程；取容積范圍內(nèi)的最小值作為設(shè)計(jì)的初始值；

(8)排氣總管的設(shè)計(jì)截面積與穩(wěn)壓器的截面積相同，長(zhǎng)度作為優(yōu)化參數(shù)在仿真計(jì)算中進(jìn)行優(yōu)化，通過仿真計(jì)算得到穩(wěn)壓器的具體形狀參數(shù)；在初步設(shè)計(jì)出排氣歧管和總管之后，對(duì)管道中的氣流流場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，通過調(diào)整歧管與總管連接時(shí)的夾角、總管的長(zhǎng)度以及穩(wěn)壓器的錐角參數(shù)，得到最小的流動(dòng)損失和壓力損失。

通過仿真計(jì)算得到排氣歧管的具體形線，以獲得較小的沿程損失作為設(shè)計(jì)原則，在仿真軟件中對(duì)管道內(nèi)部的流動(dòng)特性進(jìn)行仿真計(jì)算，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)歧管的形線做出調(diào)整和優(yōu)化。

所述抗高脈動(dòng)排氣的排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了抗高脈動(dòng)的大阻尼浮動(dòng)式止推軸承，抗高脈動(dòng)排氣的排氣系統(tǒng)采用抗高脈動(dòng)的大阻尼浮動(dòng)式止推軸承，該軸承為雙面止推軸承，為周期性對(duì)稱圓環(huán)結(jié)構(gòu)，兩側(cè)設(shè)有若干個(gè)鏡像對(duì)稱，并與中心線呈一定夾角θ的均布油槽。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：

本發(fā)明一種應(yīng)用于兩缸活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的抗高脈動(dòng)排氣的排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，可以削弱發(fā)動(dòng)機(jī)排氣總管中的氣流脈動(dòng)，有效地控制進(jìn)入廢氣渦輪增壓器中的氣體壓力，保證渦輪工作在較為穩(wěn)定的環(huán)境中，而且在增壓器中采用了一種抗高脈動(dòng)的大阻尼浮動(dòng)式雙向止推軸承，該軸承可以實(shí)現(xiàn)雙面承載，承載能力大，阻尼減震效果好，可以有效地減少由氣流脈動(dòng)引起的機(jī)械振動(dòng)對(duì)排氣系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)造成的零件磨損，延長(zhǎng)各個(gè)零部件的使用壽命。與傳統(tǒng)的定壓增壓器相比，本發(fā)明所涉及到的設(shè)計(jì)方法所要求的排氣管道長(zhǎng)度較短，且不需要很大容積的排氣總管提供穩(wěn)壓環(huán)境，這樣設(shè)計(jì)出的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸較小、重量較輕，而且可以為發(fā)動(dòng)機(jī)提供較為穩(wěn)定的進(jìn)氣條件，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所涉及的抗高脈動(dòng)排氣系統(tǒng)管路與缸體連接結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為本發(fā)明所涉及的抗高脈動(dòng)排氣系統(tǒng)整體管路的等軸測(cè)示意圖

圖3為本發(fā)明所涉及的排氣歧管圖

圖4為本發(fā)明所涉及的排氣總管上排氣穩(wěn)壓器示意圖

圖5為本發(fā)明所涉及的帶有抗高脈動(dòng)排氣阻尼軸承的增壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖中：1-氣缸缸套、2-氣缸缸體、3-排氣口、4-第一排氣歧管、5-第二排氣歧管、6-排氣總管、7-排氣穩(wěn)壓器、8-渦輪增壓器中壓氣機(jī)、9-抗高脈動(dòng)的大阻尼浮動(dòng)式止推軸承、10-渦輪增壓器中渦輪。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明所涉及的抗高脈動(dòng)排氣系統(tǒng)中的管路系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的排氣口直接相連。

如圖2所示，本發(fā)明所涉及的抗高脈動(dòng)排氣系統(tǒng)主要包括了三個(gè)部分：兩根排氣歧管、一根包含有排氣穩(wěn)壓器的排氣總管，以及一個(gè)抗高脈動(dòng)的大阻尼浮動(dòng)式止推軸承。

如圖3所示，排氣歧管的設(shè)計(jì)不僅包括長(zhǎng)度和直徑的設(shè)計(jì)，還包括了具體形線的規(guī)劃，歧管的形線設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣過程中的損失影響很大。

如圖4所示，排氣總管上設(shè)計(jì)的排氣穩(wěn)壓器實(shí)際上是一段截面積沿流線方向逐漸增大的錐管。

如圖5所示，抗高脈動(dòng)的大阻尼浮動(dòng)式止推軸承安裝在廢氣渦輪增壓器的軸上，安裝位置靠近壓氣機(jī)端。

在發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作過程中，氣缸中的燃?xì)庠谂艢饪诖蜷_之后流出，由于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣是間歇性的，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管內(nèi)部產(chǎn)生一定幅度的壓力波，該壓力波是以聲速在排氣管道內(nèi)部傳播和往復(fù)反射。在排氣系統(tǒng)中氣體呈現(xiàn)出的波動(dòng)實(shí)際上是管道內(nèi)部各種波相互疊加的效果。

若想得到持續(xù)的脈動(dòng)較小的排氣氣流，對(duì)排氣的波動(dòng)疊加進(jìn)行控制和規(guī)劃是十分有效的方法。當(dāng)活塞下行打開氣缸的排氣門之后，由于在排氣過程中廢氣的壓力和速度均在不斷下降，使得排氣歧管內(nèi)的廢氣受到擾動(dòng)并產(chǎn)生壓力波，該壓力波在管道內(nèi)部被往復(fù)反射，這些反射波相互疊加之后使管道內(nèi)部的氣流呈現(xiàn)出復(fù)雜的脈動(dòng)效果。由于排氣總管中的氣流是由多根排氣歧管中的氣流匯聚構(gòu)成的，同時(shí)多股氣流的脈動(dòng)也在排氣總管中進(jìn)行再一次的疊加，此次疊加的結(jié)果即是最終渦輪增壓器中渦輪所承受的氣流脈動(dòng)情況。若不對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，氣流在管路中的波動(dòng)疊加結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)駐波點(diǎn)，若排氣歧管與排氣總管的接入點(diǎn)位于駐波點(diǎn)處，則該點(diǎn)處的氣體壓力值很大，但是此處的氣體流動(dòng)速度為零。在這種情況下，歧管中的氣流無法正常排出，且歧管內(nèi)的氣體壓力值逐漸升高最終影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常排氣和正常工作。同樣地，若不采用抗高脈動(dòng)的大阻尼浮動(dòng)式止推軸承，則在脈動(dòng)氣流的影響和沖擊之下，排氣系統(tǒng)中的管路和增壓器中的各個(gè)零部件會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)，各個(gè)部件的磨損加速，壽命縮短。

在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管路進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)等得到氣缸的排氣參數(shù)，然后再根據(jù)小波動(dòng)理論對(duì)簡(jiǎn)化的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管進(jìn)行長(zhǎng)度設(shè)計(jì)，以及按照經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)排氣總管上的排氣穩(wěn)壓器進(jìn)行容積設(shè)計(jì)。最后在渦輪增壓器上采用抗高脈動(dòng)的大阻尼浮動(dòng)式止推軸承，與設(shè)計(jì)的削弱排氣脈動(dòng)幅值的排氣管路一同構(gòu)成抗高脈動(dòng)排氣的排氣系統(tǒng)。

以下通過具體的設(shè)計(jì)步驟說明本本發(fā)明所述的一種應(yīng)用于兩缸活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的抗高脈動(dòng)排氣的排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)和效益，本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)于應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

參閱圖1-5，需要說明的是，本文中所提供的圖示僅以示意方式說明按照本發(fā)明中論述的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)后的結(jié)果。

本發(fā)明一種應(yīng)用于兩缸活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的抗高脈動(dòng)排氣的排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

1.根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求，明確發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸排氣門打開后的流出廢氣的氣體狀態(tài)參數(shù)，包括壓力、溫度和密度等。

2.首先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管進(jìn)行簡(jiǎn)化，假設(shè)歧管均為簡(jiǎn)單管道。通過下式計(jì)算得到簡(jiǎn)單管道上各點(diǎn)氣流脈動(dòng)壓力和脈動(dòng)速度的振幅計(jì)算公式：

式中，p為脈動(dòng)壓力；u為脈動(dòng)速度；x為沿管長(zhǎng)方向的位置坐標(biāo)；ρ為氣柱的平均密度；c為聲音在介質(zhì)中的傳播速度，即壓力波的傳播速度；ω為圓頻率；a、b為積分常數(shù)，由設(shè)定的邊界條件確定。

3.對(duì)于排氣歧管來說，管道一端連接氣缸排氣口，另一端與排氣總管相連接，由于壓力

波在歧管與總管相連接處會(huì)發(fā)生反射，故將邊界條件設(shè)定為：

p(0)＝1，u(0)＝0

p(l)＝1，u(l)＝0

根據(jù)管道兩端的情況設(shè)定邊界條件，根據(jù)邊界條件得到a、b的積分常數(shù)。

4.根據(jù)步驟3中所列出的邊界條件，對(duì)排氣歧管內(nèi)部的氣流脈動(dòng)情況進(jìn)行初步的計(jì)算，將排氣歧管簡(jiǎn)化成了簡(jiǎn)單管道、即直管，故在進(jìn)行波的合成時(shí)僅考慮入射波和反射波兩道波。

排氣歧管內(nèi)的氣流壓力波與氣反射波振幅、波長(zhǎng)和周期均相同，會(huì)在管道中發(fā)生干涉，對(duì)兩道波進(jìn)行合成之后計(jì)算波動(dòng)中是否存在駐波點(diǎn)，同時(shí)避免歧管出口處位于波動(dòng)的駐波點(diǎn)；

5.由于兩缸發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸點(diǎn)火間隔為180度曲軸轉(zhuǎn)角，則以其中任意一根排氣歧管為基準(zhǔn)，另一根排氣歧管中的氣流脈動(dòng)頻率及幅值與第一根相同，但脈動(dòng)相位相差180°。

6.已知兩根排氣歧管中的氣流脈動(dòng)情況，對(duì)排氣總管中的脈動(dòng)氣流進(jìn)行初步計(jì)算。計(jì)算

的方法是直接將兩根排氣歧管中的波動(dòng)方程進(jìn)行疊加。

7.排氣穩(wěn)壓器的容積初步根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

v＝(25～40)m·(f·s)

式中，v為緩沖器的容積；m為同時(shí)工作的氣缸數(shù)；f為活塞面積；s為活塞行程。由于在對(duì)排氣歧管設(shè)計(jì)時(shí)已考慮對(duì)于氣流脈動(dòng)的削弱，故在對(duì)排氣穩(wěn)壓器的容積進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)取容積范圍內(nèi)的最小值作為設(shè)計(jì)的初始值。

8.排氣總管的設(shè)計(jì)截面積與穩(wěn)壓器的截面積相同，長(zhǎng)度作為優(yōu)化參數(shù)在仿真計(jì)算中進(jìn)行優(yōu)化。而穩(wěn)壓器的具體形狀參數(shù)同樣需要進(jìn)行仿真計(jì)算。在初步設(shè)計(jì)出排氣歧管和總管之后，對(duì)管道中的氣流流場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，通過調(diào)整歧管與總管連接時(shí)的夾角、總管的長(zhǎng)度以及穩(wěn)壓器的錐角參數(shù)，得到最小的流動(dòng)損失和壓力損失。通過上述技術(shù)，可以有效地控制發(fā)動(dòng)機(jī)排氣時(shí)氣流壓力、速度的脈動(dòng)情況，并通過合理的管道設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣過程更加順暢，降低流動(dòng)損失，并有效地減弱發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)的振動(dòng)及磨損，延長(zhǎng)管路、增壓器及軸承等零件的使用壽命。

所述抗高脈動(dòng)排氣的排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了抗高脈動(dòng)的大阻尼浮動(dòng)式止推軸承。該軸承為雙面止推軸承，為周期性對(duì)稱圓環(huán)結(jié)構(gòu)，兩側(cè)設(shè)有若干個(gè)鏡像對(duì)稱的均布油槽。一側(cè)為正槽，一側(cè)為倒槽，并與中心線呈一定夾角θ，角度大小主要取決于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速越高，角度越小，尤其是θ角與設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速nd的關(guān)系為：

θ＝90-arctan(πndr/60)

式中，r為軸承中心到油槽底部的距離。

使所述油槽在工作時(shí)形成動(dòng)壓油膜，承載軸向力，緩沖軸向脈動(dòng)的效果最好。所述的油槽由外向內(nèi)應(yīng)指向轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向，即指向與轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)方向一致，促使動(dòng)壓油膜形成。區(qū)別于傳統(tǒng)的渦輪增壓器止推軸承，所述的浮動(dòng)式止推軸承安裝與渦輪增壓器核心體組件上，沿軸向留有0.06～0.14mm的總竄動(dòng)量。同時(shí)可以繞轉(zhuǎn)軸自由旋轉(zhuǎn)。因此在增壓器工作時(shí)，形成動(dòng)壓油膜，承載軸向力，緩沖軸向脈動(dòng)。所述的浮動(dòng)式止推軸承通常由兩片為一組，安裝于增壓器的封油蓋和中間體之間，并由軸封套隔開。進(jìn)而形成四個(gè)止推油膜。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。